準分子激光表面處理對CFRP膠接強度的影響

劉良威 胡晶晶 劉 錦 袁 野 陳 忠

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

文 摘 采用準分子激光表面處理技術用于碳纖維復合材料膠接面的預處理，通過對照試驗、顯微鏡觀察研究了表面處理方式、處理后清洗方式對膠接強度和離散系數的影響。結果表明：準分子激光表面預處理技術用于處理碳纖維復合材料膠接表面能明顯提高其膠接強度，與砂紙打磨處理試片的膠接強度相當，但采用準分子激光處理的試片的膠接強度離散系數相對較小。

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是目前衛星平臺的主要結構材料，CFRP材料的連接技術主要有膠接和機械連接。機械連接能夠傳遞較大的載荷，但開孔會削弱材料強度，同時由于CFRP材料的各向異性，孔周圍將出現嚴重應力集中；膠接對材料無損傷、不產生應力集中，抗疲勞性能優異、連接效率高、能獨立承載，已成為航天領域CFRP材料的主要連接技術［1-2］。

為保證CFRP材料膠接的強度和耐久性，必須對膠接面進行表面預處理以增加膠黏劑與材料表面的粘接力。CFRP材料膠接面的預處理工藝按表面改性機理可劃分為兩大類：一類是以提高材料表面樹脂基團活性為目的的表面改性工藝，包括化學處理、光處理等；另一類則是以提高表面潤濕性為目的的表面粗糙化工藝，包括機械打磨、激光表面處理、等離子表面處理等。其中，激光表面處理技術既能使CFRP材料表面產生蝕除現象而形成微觀粗糙表面，又能通過潛在的光效應改變CFRP材料表面樹脂基團活性及碳纖維表面特性［3-4］。因此，激光表面處理技術被認為是能夠實現CFRP材料多種表面改性需求的技術手段。另外，CFRP材料的激光表面改性由于具有自動化程度高、效率高（平面表面處理速度提升4倍以上）、工藝穩定等優點，近幾年來已成為國內外研究的熱點［5-6］。

早期針對CFRP材料的激光表面改性的研究大多使用的是近紅外（NIR）Nd：YAG激光和CO2激光，這類激光在進行材料加工時，主要是通過光熱效應產生高溫將材料激發到更高的振動狀態，從而導致材料熔融繼而蒸發［7］，會在材料上產生明顯的熱影響區，導致樹脂材料的燒蝕破壞效應、碳纖維熱分解效應和熱-力聯合破壞效應。準分子激光是某些惰性氣體和鹵素氣體結合的混合氣體形成的分子在受到電子束激發時向其基態躍遷時產生的激光，具有輸出光子能量高、波長短的特點。在采用準分子激光進行CFRP材料表面處理時，激光器發出的紫外光子所具有的光子能要高于CFRP材料中樹脂分子的主要化學鍵結合能，因此能夠直接把樹脂分子激發到電子態，直至打斷分子的化學鍵，促使被加工區域瞬間產生原子或者分子碎片，產生爆炸性噴射而實現材料蝕除［8］。

目前，國外已有多家研究機構開展了基于準分子激光技術的CFRP材料表面改性相關研究工作。張運海［9］利用波長為248 nm的準分子紫外激光對聚四氟乙烯（PTFE）進行了表面改性和蝕除試驗研究，發現激光照射過的PTFE材料表面粗糙度明顯增加，且粗糙程度與激光能量的關系很大。F.VOLKERMEYER［10］等采用1 064、532和266 nm三個波長的激光分別對熱塑性樹脂和熱固性樹脂進行了輻照試驗，并探討了激光與樹脂材料的相互作用機理，研究發現，266 nm的紫外激光在樹脂材料的作用機理與其它兩種波長的激光顯著不同，由于單光子能量高，光化學蝕除使得化合鍵斷裂的幾率更高，熱損傷明顯降低。F.FISCHER等［4］對環氧和聚醚醚酮（PEEK）兩種樹脂材料在355 nm紫外激光輻照下的蝕除行為進行了初步探討，發現準分子激光處理后的CFRP材料表面不會產生分層及纖維損傷，原理圖見圖1，而CO2激光處理后的表面觀察到纖維絲破損、局部分層甚至燒蝕現象。

圖1 CFRP依次在準分子激光輻照及膠接后碳纖維／樹脂界面層示意圖Fig.1 Schematic diagram of CFRP in the carbon fiber／resin interface layer after excimer laser irradiation and bonding

影響膠接強度的因素包括膠黏劑種類、固化壓力、膠接溫濕度、表面預處理方式等，因素眾多且影響程度不一。為減少變量，作者選擇衛星常用結構膠J-133膠在恒溫恒濕實驗室進行試驗，并利用膠接試片制作工裝保證恒定膠接固化壓力，主要研究準分子激光預處理方式對膠接強度和膠接穩定性的影響，并將其與傳統的打磨預處理等方式進行對比，探索準分子激光表面預處理技術應用于復合材料膠接面預處理的工藝可行性。

1 實驗

1.1 原材料

T700-12K／環氧樹脂單向復合材料板，厚度為1.6 mm，上海晉飛有限責任公司；J-133膠，黑龍江省科學院石油化學研究院。

1.2 試驗設備

準分子激光處理系統，工作波長355 nm，激光最大功率10 W，光斑直徑0.02 mm，大族激光；超聲波清洗機，SB25-12DTN；顯微鏡，Hirox KH-300；電子萬能試驗機，MTS-E45.105。

1.3 試驗方法

試件準備：將單向復合材料板沿0°方向加工為100 mm×25 mm×1.6 mm的試片，數量若干，膠接試片的制作按GB／T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定》進行。

粗糙化處理方式：分為砂紙打磨處理和準分子激光表面處理。砂紙打磨表面處理方法參照GB／T21526—2008進行，具體為使用200目砂紙對待膠面進行橫向打磨直到表面都有均勻輕度劃痕，再縱向打磨直到橫向打磨的劃痕全部被磨去，再環向打磨直到上一步產生的劃痕全部被磨去且表面均勻［11］。準分子激光表面處理含4種處理方向（圖2），處理方向是指激光點的掃描方向。

教師在教育教學實踐中要根據實際解決問題的需要，教師之間合作，圍繞課前、課中、課后三個教學情境，針對教材、課程、學生，通過“學案”這一載體改進教學行為，提高課堂教學效率。為學生設計一種以學生好學為中心的教育體系，提倡先做后學、先學后教、以學定教的理念及課前預習或布置作業，小組合作學習、交流、討論小組代表進行班級交流，教師進行引導點撥。在課堂教學過程中，師生共同研究學習，開展教學活動，教師圍繞知識點組織課堂教學、課內探究、完成針對性練習并及時反思、合作交流討論，尋找利用學案教學提高課堂教學效率的最佳方法。

圖2 準分子激光處理方向Fig.2 Excimer laser processing direction

表面清洗方式：主要分為超聲清洗和常規清洗。超聲清洗具體為將試片待膠面浸沒在無水乙醇溶劑中，超聲清洗30 min，然后用潔凈紗布蘸無水乙醇擦拭膠接面，置于潔凈處晾干；常規清洗具體為用潔凈紗布蘸無水乙醇擦拭膠接面，置于潔凈處晾干。膠接性能測試：按GB／T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定》進行。

表面顯微觀察：用顯微鏡對處理前后表面的狀態進行觀察。

2 結果與討論

2.1 超聲清洗方式對膠接強度的影響

選用準分子激光對碳纖維試片進行0°／90°表面處理，在膠接前分別用超聲清洗和常規清洗，從圖3可以看出，采用超聲清洗法的試片膠接強度比采用常規清洗的試片強度提高約16%。這是由于超聲波清洗的主要原理是在液體中產生空化作用［12］，擊散物體表面的雜質或削弱雜質與物體之間的吸附作用，促使粉末與基材間加速脫離。試驗表明：超聲波清洗能夠有力促進粉末向溶劑中擴散，增加表面清潔程度，提高膠接強度。

通過顯微鏡分別對激光處理后、超聲清洗和常規清洗的表面進行觀察，從圖4（a）可見：激光處理后，將樹脂層去除的同時，會有纖維和樹脂粉末殘留在表面。從圖4（b）可見，采用常規清洗可以去除大部分表面殘留的碳纖維和粉末，但是會有殘留，而從圖4（c）可見，采用超聲清洗的表面潔凈，無粉末等殘留，所以，采用超聲清洗的試片的膠接強度顯著高于采用常規清洗法進行清洗的試片。

圖3 清洗方式對膠接強度的影響（激光處理功率：4 W；處理方向：0°／90°）Fig.3 Effect of cleaning methods on bonding strength（laser processing power：4W；processing direction：0°／90°）

圖4 激光處理后不同清洗方式的膠接表面狀態對比圖Fig.4 After laser treatment，comparison of the morphology of the bonding interface with different cleaning methods

2.2 準分子激光處理方向對試片膠接強度的影響

由于準分子激光掃描處理方式采用的是逐行掃描法，掃描處理方向對表面處理效果可能有一定影響，所以通過試驗研究了準分子激光處理方向對膠接強度的影響。本項試驗采用4 W 功率的準分子激光分別對碳纖維試片進行90°、0°、0°／90°和±45°進行表面處理并經過超聲清洗。從圖5可見，分別采用0°和90°掃描處理的膠接試片的強度較低，其中采用90°處理的試片強度只有25.79 MPa。采用0°／90°和±45°進行表面處理的試片強度分別比采用90°掃描處理的膠接試片強度高28%和37%，且最佳的處理方向是±45°。

采用單方向掃描的的試片強度低，而采用了兩個方向處理的試片強度高，這是因為經過兩個方向掃描的試片表面存在交叉的高低處，根據機械結合理論，這相當于增大了表面的膠接面積，所以會提高試片的膠接強度。

圖5 表面處理方向對膠接強度的影響Fig.5 Effect of surface treatment direction on bonding strength

2.3 準分子激光功率對膠接強度的影響

準分子激光處理材料的功率是影響處理效果的主要參數之一，選用±45°激光處理方向研究不同的激光功率對膠接強度的影響。

選擇2～10 W 的準分子激光進行表面處理，然后進行膠接強度的測試。從圖6可以看出，當功率為2～8 W 時，CFRP的膠接強度隨著準分子激光功率的增大而明顯增大，但是當功率大于8 W 時，膠接強度上升不明顯。

圖6 激光功率對CFRP膠接強度的影響（激光處理方向：±45°；清洗方式：超聲清洗）Fig.6 Influnce of laser power on CFRP bonding strength（laser processing direction：±45°；clean method：ultrasonic cleaning）

當界面處理不好或激光功率較低時，膠接界面強度低于膠黏劑或被粘接材料的強度，此時膠接接頭的膠接強度主要取決于膠接界面的強度，所以隨著準分子激光功率的增大，界面強度增大，膠接強度增大；但是當準分子激光的功率達到一定值以后，膠接界面的強度已經高于膠黏劑或被粘接材料的強度，此時膠接接頭的強度主要取決于膠黏劑和被粘接材料本身的強度，所以當準分子激光功率大于8 W 時，準分子激光功率的增加不再使膠接接頭的強度升高。

圖7 膠接面示意圖Fig.7 Schematic of gluing interface

2.4 準分子激光表面處理與打磨處理處理的膠接強度對比

從圖8可見，未進行表面處理的試片的膠接強度最低，經過打磨或準分子激光處理過的試片強度大幅增加；2 W 功率激光處理的膠接試片強度為28.23 MPa，低于砂紙打磨的試片強度34.40 MPa，但CFRP的膠接強度隨著準分子激光功率的增大而增大；當準分子激光的功率達到4 W 時，準分子激光處理的強度與打磨的強度一致，當準分子激光的功率不小于6 W 時，激光處理的試片強度比打磨試片的膠接強度高11%以上。

圖8 表面處理方式對膠接強度的影響（清洗方式：超聲清洗）Fig.8 Influnce of surface treatment on bonding strength（clean method：ultrasonic cleaning）

通過顯微鏡觀察，未處理的膠接面平整光滑，而經過砂紙打磨或準分子激光處理的膠接面明顯比未處理表面的粗糙度大，根據機械聯鎖理論，被粘物表面的微觀不平度及微孔使膠黏劑與被粘物表面產生微觀機械鎖合效應，可使膠接強度顯著提高，所以砂紙打磨和準分子激光處理的試片膠接強度比未處理的試片強度高。另外，準分子激光采用雙向處理，更有利于表面的微觀鎖合效應，所以準分子激光雙向處理比單向處理的膠接強度高。

2.5 表面處理方式對膠接強度離散系數的影響

相同表面處理參數條件下，用于評價膠接強度和離散系數的試片數量不少于5組。由圖10可見，不打磨的膠接試片的膠接強度離散系數最大，達到22.6%，其次是砂紙打磨經常規清洗的膠接試件，離散系數為16.8%，然后為砂紙打磨經超聲清洗的膠接試件，離散系數為9.8%，而采用準分子激光處理的試片膠接強度離散系數為介于5.4%～9.9%。

離散系數代表膠接強度的一致程度，離散系數越小，膠接強度的一致性最好，質量約可控。采用準分子激光表面處理得到的試片膠接強度離散系數較小，這是由于采用準分子激光表面處理相對人工砂紙打磨，參數可定量化，質量一致性好。

由圖9（a）可見，復合材料表面主要是樹脂層，在生產和運輸過程引起材料表面的狀態不一致，而膠接強度對表面狀態變化是非常敏感的，所以未經處理的膠接試片的膠接強度離散系數最大。

由圖9（b）（c）可見，打磨處理和準分子激光表面處理的膠接面的一致性比未處理的要好，所以離散系數比未處理試片的膠接強度離散系數小很多；由于準分子激光設備參數可定量化，比手工砂紙打磨得到的膠接表面的一致性好，所以采用準分子激光處理的試片強度離散系數最小。

圖9 不同表面處理方式處理后的表面顯微圖Fig.9 Surface micrographs treated with different surface treatments

圖10 表面處理方式對膠接強度離散系數的影響Fig.10 Influnce of surface treatment methods on the coefficient of variation of bonding strength

3 結論

（1）準分子激光處理后的試片，選用超聲清洗比常規清洗的膠接試片強度提高約16%。

（2）準分子激光雙向處理比單向處理的膠接強度高，采用0°／90°和±45°進行表面處理的試片強度分別比采用90°掃描處理的膠接試片強度高28%和37%。

（3）處理方向相同時，隨著準分子激光功率的增大，膠接強度增大，但是當準分子激光的功率增大到一定值以后，激光處理功率的提高不再使膠接接頭的強度升高。

（4）準分子激光采用兩個方向進行處理的試片膠接強度與打磨處理試片的膠接強度差異不大，但是比未經表面處理的試片的膠接強度提高約60%以上。

（5）準分子激光處理的試片比打磨處理的試片膠接強度離散系數略低，顯著比未處理試片的膠接強度離散系數低，準分子激光表面處理方法的工藝穩定性最好。