CFRP表面的激光處理及其結(jié)構(gòu)與性能研究

周柄岑，吳 瑤，孔海娟，3*，倪雨萌，晏其鳳，馮 龍

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620; 2.上海市輕質(zhì)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620; 3.上海工程技術(shù)大學(xué) 上海市激光先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)作為最先進(jìn)的一類汽車輕質(zhì)材料，具有比強(qiáng)度和比模量高、設(shè)計(jì)自由度大、抗疲勞性和阻尼性好等特點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)外汽車設(shè)計(jì)研究表明CFRP的應(yīng)用提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，改善了結(jié)構(gòu)承載能力與抗沖擊性能，也大大減少零件數(shù)和裝配成本。

對(duì)于復(fù)合材料與復(fù)合材料、復(fù)合材料與金屬的連接一般采用膠接連接方式，一方面可以避免機(jī)械鉚接打孔對(duì)纖維的破壞和應(yīng)力集中，同時(shí)膠層還可以阻止碳纖維和金屬之間的電化學(xué)腐蝕。但是由于CFRP表面富樹(shù)脂且比較光滑，與結(jié)構(gòu)膠之間的界面結(jié)合性能較差。目前，一般采用化學(xué)處理、機(jī)械打磨、等離子體處理等方法對(duì)CFRP和金屬進(jìn)行表面處理，以去除表面殘留雜質(zhì)，提高活化能，增大表面粗糙度，但這些方法存在污染較大、效率低、表面處理后不均勻等缺點(diǎn)[2-7]。

激光由于熱效應(yīng)小，加工速度快，在連接領(lǐng)域已經(jīng)被應(yīng)用在燒蝕材料制備表面織構(gòu)以改善材料潤(rùn)濕性和連接強(qiáng)度。F.FISCHER等[8]利用準(zhǔn)分子紫外激光器對(duì)CFRP表面進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)這種激光處理適合于在粘結(jié)劑的強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)聚性破壞，這種經(jīng)激光處理后的CFRP表面與粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度與經(jīng)砂紙打磨的粘結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)或是超過(guò)經(jīng)砂紙打磨的粘結(jié)強(qiáng)度。F.L.PALMIERI[9]等采用三倍頻摻鋁釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器對(duì)CFRP進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)使用355 ns脈沖Nd:YAG激光對(duì)CFRP燒蝕，燒蝕厚度為10～12 μm時(shí)，碳纖維損傷很小。T.YOKOZEKI[10]對(duì)CFRP進(jìn)行激光處理，認(rèn)為激光處理之后膠接性能提高主要是跟CFRP表面粗糙度增加、C—O等活性基團(tuán)增加、表面脫模劑等雜質(zhì)的去除有關(guān)。飛秒激光由于更短脈寬、更鮮明“冷加工”特性，在處理CFRP表面時(shí)可以有效去除環(huán)氧樹(shù)脂而最大程度地不損傷碳纖維，里斯本大學(xué)V. OLIVEIRA[11]利用550 fs的飛秒激光獲得了無(wú)損傷的碳纖維(直徑10 μm)，且在碳纖維表面誘導(dǎo)生成了亞波長(zhǎng)周期性微納結(jié)構(gòu)(300 nm)，對(duì)復(fù)合材料的表面影響較大。

作者采用光纖激光器對(duì)CFRP表面進(jìn)行處理，通過(guò)研究激光的光斑直徑(Dg)和Z軸距離(LZ)的關(guān)系，研究了LZ對(duì)CFRP表面形貌、結(jié)構(gòu)的影響，以及對(duì)CFRP與鋁合金單搭接膠接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度(τ)的影響，為CFRP的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及試樣

鋁合金：牌號(hào)為6063，市購(gòu)； HY-J661高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠：自制；丙酮：分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；碳纖維預(yù)浸料：規(guī)格為T700，12 K，日本東麗株式會(huì)社產(chǎn)。

1.2 設(shè)備與儀器

熱壓罐：有效工作尺寸為φ1 m×2 m，西安龍德科技有限公司制； DZF-6020烘箱：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司制；SB-5200DT超聲清洗機(jī)：寧波新芝生物科技有限公司制；5000W光纖激光焊接機(jī)：深圳市弗鐳斯激光技術(shù)有限公司制；ACS-30電子臺(tái)秤：康市華鷹衡器有限公司制；Quanta 250環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)：美國(guó)FEI公司制：NT9100光學(xué)輪廓儀：美國(guó)維易科精密儀器有限公司公司制； LD23型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)：深圳蘭博三思材料檢測(cè)有限公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

CFRP層壓板的制備：以東麗12 K碳纖維預(yù)浸料，通過(guò)熱壓罐法制備CFRP；再按照GB/T 7124—2008對(duì)CFRP進(jìn)行水切割制備標(biāo)準(zhǔn)樣條，樣條大小為100 mm×25 mm×1.5 mm。

激光處理CFRP表面：采用長(zhǎng)脈沖光纖激光器(功率5 000 W)處理CFRP樣條表面。操作條件為：激光波長(zhǎng)1 064 nm，頻率60 Hz，脈寬1.0 ms，掃描速度200 mm/min，能量0.12 J，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器與試樣之間的距離即LZ(15～35mm)調(diào)試Dg處理CFRP。

CFRP與鋁合金單搭接膠接試樣的制備：將激光處理后的CFRP樣條置于適量丙酮中超聲清洗15 min后，放入60 ℃鼓風(fēng)烘箱中干燥2 h。將鋁合金板用砂紙打磨處理后，裁剪成100 mm×25 mm×1.5 mm尺寸大小放入干燥箱中烘2 h，膠接備用。利用模具將處理好的鋁合金板和CFRP按GB/T 7124—2008進(jìn)行單搭接膠接，然后將膠接試樣置入60 ℃烘箱中，待膠黏劑交聯(lián)固化2 h后，將所得的試樣至于常溫固化6～8 d，即得到CFRP與鋁合金單搭接膠接試樣。

1.4 分析與測(cè)試

Dg：移動(dòng)激光頭與工作臺(tái)的距離，LZ以5 mm為間隔，頻率設(shè)置為60 Hz。將激光光纖打標(biāo)紙放置工作臺(tái)上，用游標(biāo)卡尺測(cè)出測(cè)量打出的Dg大小，即為不同LZ下激光器的Dg。

表面粗糙度：采用NT9100光學(xué)輪廓儀對(duì)激光處理后的CFRP中表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，材料表面任選5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，粗糙度的最終值通過(guò)計(jì)算5個(gè)點(diǎn)的平均值而得到。

拉伸剪切強(qiáng)度(τ)：采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)膠接樣條進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。試樣尺寸為100 mm×25mm的樣條單搭接，膠接區(qū)域?yàn)?2.5mm×25mm。試樣拉伸速率為2 mm/min。每組測(cè)試5個(gè)試樣，取平均值。對(duì)搭接的膠粘劑的τ按式(1)計(jì)算：

τ=F/(b×l)

(1)

式中：F為試樣剪切破壞的最大負(fù)荷；b為試樣搭接面寬度；l為試樣搭接面長(zhǎng)度。

表觀形貌：對(duì)處理后的CFRP纖維表面通過(guò)噴金處理之后，采用SEM觀察其形貌并拍照。

CFRP表面燒蝕率：在單位時(shí)間內(nèi)，將激光作用在CFRP材料表面，測(cè)定CFRP材料的質(zhì)量損失。CFRP表面燒蝕率按激光輻照前后的質(zhì)量差與激光輻照時(shí)間之比進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 Dg與LZ的關(guān)系

從圖1可以看出，當(dāng)LZ為35 mm時(shí)，得到的激光束光斑不圓，這是由于聚焦效果較分散，能量不均勻造成的，得不到比較規(guī)整的圓形；隨著LZ的降低，其光斑逐漸趨于圓形，在LZ為10 mm時(shí)，激光的Dg達(dá)到最小為1.25 mm，這表明激光器的焦點(diǎn)在LZ為10 mm處聚焦效果最好，能量最高。LZ大于10 mm后，可以通過(guò)增加LZ，進(jìn)而改變激光Dg的大小，分散激光聚焦能量，使CFRP中心場(chǎng)效應(yīng)減小。

圖1 不同LZ下的激光作用CFRP表面的光斑

從圖1還可以看出，當(dāng)LZ值增大到一定值(LZ為30 mm)時(shí)，激光束在工作臺(tái)的聚焦效果差，光斑聚焦形成的圖形不是圓形，是無(wú)規(guī)則圖像，Dg無(wú)法測(cè)量，所以激光處理CFRP表面時(shí)LZ不能太大。LZ為5～25 mm時(shí)激光作用CFRP表面的Dg如表1所示。由表1可看出，隨著LZ的增加，Dg增大，這是由于當(dāng)提高 Z 軸的距離，分散激光聚焦功率，使 CFRP表面中心場(chǎng)效應(yīng)減小，因而Dg增大。

表1 Dg與LZ的關(guān)系

2.2 LZ對(duì)激光處理CFRP表面形貌的影響

從圖2可以看出：對(duì)于表面未處理的CFRP，其表面相對(duì)比較平滑，沒(méi)有碳纖維顯現(xiàn)出來(lái)(見(jiàn)圖2g)；當(dāng)LZ為20 mm時(shí)，CFRP表面富有的環(huán)氧樹(shù)脂基本去除，碳纖維幾乎沒(méi)有被破壞，排列仍然規(guī)整，方向基本保持不變；而從其放大圖(見(jiàn)圖2b)中可以看出，此條件處理下的碳纖維表面基本上不含有環(huán)氧樹(shù)脂，相對(duì)比較干凈，環(huán)氧樹(shù)脂去除的效果較好；在LZ為25 mm時(shí)，碳纖維表面含有部分環(huán)氧樹(shù)脂，未完全除去，但是不會(huì)有環(huán)氧樹(shù)脂累積和碳纖維的斷裂；在LZ為30 mm時(shí)， CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂基本得到去除，但通過(guò)其放大圖(見(jiàn)圖2f)可知碳纖維上仍包覆有環(huán)氧樹(shù)脂。

圖2 不同LZ下激光處理CFRP表面的SEM照片

這是因?yàn)殡S著LZ的增加，激光照射在CFRP表面的Dg增大，而實(shí)際激光作用在CFRP的功率降低，能量較小，故對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂去除量減少。所以，通過(guò)改變LZ，可實(shí)現(xiàn)激光作用在CFRP表面光束能量大小，在LZ為20 mm，CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂基本去除，且CFRP基體中碳纖維沒(méi)有發(fā)生部分氧化和裂解，保持原有狀態(tài)。

2.3 LZ對(duì)激光處理CFRP表面燒蝕率的影響

由圖3可知：在LZ為15～20 mm時(shí)，CFRP 表面燒蝕率增大，當(dāng)LZ為20 mm時(shí)CFRP 表面燒蝕率達(dá)到最大，為7.6 g/s；在LZ為20～35 mm時(shí)，隨著LZ的增大，CFRP表面燒蝕率下降。這是因?yàn)樵贚Z為15 mm時(shí)，激光聚焦在CFRP上的Dg小，作用能量集中，CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生氣化，基體內(nèi)部的環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生氣化，產(chǎn)生的氣體使碳纖維發(fā)生熱膨脹和部分氧化，同時(shí)氣體能量過(guò)高，產(chǎn)生的氣體壓力較大時(shí)會(huì)通過(guò)碳纖維間的縫隙溢出或者對(duì)碳纖維造成損傷；LZ為20 mm時(shí)Dg稍大，CFRP吸收能量相對(duì)較小，碳纖維內(nèi)部環(huán)氧樹(shù)脂熔融、裂解，但裂解的氣體壓力不大，不對(duì)基體中的碳纖維產(chǎn)生作用，基體碳纖維基本沒(méi)發(fā)生變化，燒蝕率增加；隨著LZ繼續(xù)增加，激光作用CFRP表面的Dg越來(lái)越大，能量愈加發(fā)散，CFRP吸收的能量減少，表面環(huán)氧樹(shù)脂熔融量及裂解量變少，導(dǎo)致CFRP表面燒蝕率下降。

圖3 CFRP表面燒蝕率與LZ的關(guān)系曲線

2.4 LZ對(duì)激光處理CFRP表面粗糙度的影響

從圖4可知，在LZ為25 mm時(shí)，CFRP表面粗糙度最小；LZ為30 mm時(shí)，表面粗糙度最大。這是由于在LZ為20 mm時(shí)，CFRP表面的環(huán)氧樹(shù)脂全部熔融，表面呈現(xiàn)為排列規(guī)整的碳纖維(見(jiàn)圖2b)，表面粗糙度較低；LZ為25 mm時(shí)，激光束作用在CFRP表面的Dg增大，表面環(huán)氧樹(shù)脂熔融和裂解量較小，碳纖維上包覆少量環(huán)氧樹(shù)脂，填充了碳纖維之間的間隙，CFRP表面粗糙度降低；隨著Dg的不斷增加，CFRP表面包覆環(huán)氧樹(shù)脂量增加，表面粗糙度增加；當(dāng)LZ為35 mm時(shí)，作用在CFRP表面的光斑已不是圓形，激光能量損失多，CFRP表面吸收能量少，CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂只有部分熔融，表面粗糙度降低。以上結(jié)果表明，LZ越大時(shí)，Dg減小，聚焦在激光表面上的能量發(fā)生變化，對(duì)CFRP表面形貌的影響較大。

圖4 CFRP表面粗糙度與LZ的關(guān)系曲線

2.5 CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ

從表2可知，LZ為20 mm時(shí)，CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ最高；在LZ為25～35 mm時(shí)，隨LZ增大，CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ變小。

表2 LZ對(duì)CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ的影響

這是由于在LZ為15，20 mm時(shí)，Dg較小，CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂基本去除，膠黏劑與纖維與上漿劑之間相互作用，使CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ提高；隨著LZ進(jìn)一步增加，CFRP表面環(huán)氧樹(shù)脂去除量較少，膠黏劑主要與融化環(huán)氧樹(shù)脂和未融化環(huán)氧樹(shù)脂，以及部分碳纖維相互作用，各個(gè)部分作用力不相同，導(dǎo)致CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ較低。而在LZ為30 mm時(shí)，CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ突然增大的原因是，LZ為30 mm時(shí)的表面粗糙度最大，從而導(dǎo)致在一定程度上會(huì)使得τ增加。

3 結(jié)論

a. 激光的LZ影響激光的Dg和功率，從而使LZ對(duì)激光處理后的CFRP表面形貌、燒蝕率、表面粗糙度以及對(duì)鋁合金膠接時(shí)單搭接接頭的τ影響不同。

b. 在不破壞CFRP中的碳纖維的前提下，CFRP表面燒蝕率越高，CFRP與鋁合金膠接強(qiáng)度越高。

c.LZ為20 mm時(shí)，激光處理后的CFRP表面燒蝕率最大為7.6 g/s，CFRP與鋁合金單搭接接頭的τ最大為15.46 MPa。