對于碳纖維增強塑料件的連接，粘合劑粘接相對于機械緊固件來說具備多方面的優(yōu)勢。具體來說，使用粘合劑不會產生穿孔，因而不會損壞纖維結構；不會在接口周圍產生集中應力；是一種輕量替代方案。然而，如果部件表面存在污染物，例如脫模劑，就難以達到高的粘合強度。
人們研究了在粘合之前獲取理想表面質量的各種技術。這些措施包括采用剝離層，以及各種機械制備技術，例如研磨或噴砂處理。遺憾的是，每種工藝都有它們自身的缺陷，要么是速度問題，要么是復雜度問題，要么需要后續(xù)的清洗操作。
以準分子激光為基礎的表面清潔和燒蝕技術現(xiàn)在可以提供一種實用的替代方案，采用此技術產生的表面可以滿足粘接所需的特性要求。
粘結劑連接
CFRP 的主要優(yōu)點之一是比強度（強度/ 重量）高。然而，使用常規(guī)的緊固件連接技術會大大降低這種優(yōu)勢。具體來說，采用傳統(tǒng)的緊固件（比如螺釘或鉚釘）需要鉆孔，這就會破壞載荷纖維的結構。此外，這些緊固件周圍的內部應力可能會很高，因為它們將承載功能集中在一個小區(qū)域內。這可能需要在應力點周圍使用加強件，這必然會增加組件的總重量。最后一點，金屬緊固件本身可能會顯著增加組件的重量。
粘合劑連接是一種可以避免這些問題的替代方案。具體來說，它不需要穿透CFRP，能夠將機械負荷均勻地分布在整個接合面上，而且它不會顯著增加成品的重量。
然而，為了實現(xiàn)高強度的粘接，必須將之前殘留在表面的脫模劑和其他表面污染物去除。這一點至關重要，因為眾所周知，粘接強度與粘接之前的表面清潔程度高度相關。但是，清潔過程不能對基底的CFRP 產生任何損壞，特別是不能損壞載荷纖維。
目前有幾種技術被用于CFRP 部件粘接之前的清潔和準備。這些措施包括機械研磨、各種噴砂工藝，以及所謂剝離層的去除。
最普遍采用的機械研磨工藝的主要缺點是效率低，且大多需要在濕態(tài)操作。第二點意味著隨后還需要沖洗和干燥的過程，從而增加生產成本和加工時間。此外，研磨工藝的自動化是相當復雜的，而且在研磨之前和之后都需要清洗操作。因此，研磨大部分是手動操作的，這使得該工藝不適合于大批量生產和大面積CFRP 部件的生產。手工處理還使得加工質量具有很大的可變性，纖維結構也有可能因為過度處理或表面污染物未完全清除干凈而被損壞。同樣的，噴砂處理也會使纖維有損壞的風險，留下殘余物和灰塵，從而不得不增加后續(xù)的清洗過程。
航空航天工業(yè)流行的CFRP 表面粘接準備工藝是使用剝離層。這些剝離層是織物制成的片材，在基材樹脂固化之前將片材插入CFRP 表面，然后在粘接之前去除。這種技術能夠得到可重現(xiàn)的粗糙度和清潔表面，從而保證良好的粘接。
剝離層的主要缺點是它們必須經過層壓制成零件，這就增加了制造過程的復雜性。另外，這種方法并不適用于修復粘接件。剝離層的效率和可重復性也存在問題。具體來說，剝離層表面在樹脂層中會產生厚度變化。而且，一些研究人員指出，脫模劑的殘留物會從剝離層轉移到部件表面。此外，一些剝離層的表面粗糙度可能達不到最佳粘接狀態(tài)。最后，斷裂韌性（GIC）和搭接剪切強度與所使用的剝離層織物類型具有非常密切的關系。
激光表面處理
激光加工技術實際上可以克服其他工藝的所有缺點，因此，研究者們在30年前就已經在研究這一技術。尤其是用激光照射碳纖維復合材料的表面，就能夠有效去除所有殘留的污染物，使表面達到最好的粘接狀態(tài)。與機械技術不同，激光清潔幾乎不需要表面處理，可以在干燥狀態(tài)下進行，激光加工過的表面不需要后續(xù)的清洗操作（如果施加足夠大的吸力），而且如果參數(shù)選擇合適，不會損傷纖維。此外，激光加工適用于大表面積的制備，可以很容易地實現(xiàn)自動化，而且產品質量高度一致，因為這是一種無磨損的非接觸工藝。
但是，有一點需要澄清：“激光加工”實際上是一個非常普遍的詞匯。用于CFRP 清潔的激光技術有幾種不同的形式。這些不同類型的激光利器利用不同的機制去除材料，操作形式、成本和特點非常不同。這一領域最常用的技術是二氧化碳（CO2）激光器、二極管泵浦固態(tài)（DPSS）近紅外激光器、紫外DPSS 倍頻激光器，以及準分子激光器。
CO2 激光器在遠紅外區(qū)發(fā)射出光子，通過加熱使材料熔化或汽化，達到完全去除的目的。CO2 激光器的輸出功率可以高達幾千瓦，每瓦的成本和運行費用非常具有吸引力（密封的射頻激發(fā)平板CO2 激光器的運行費用更低）。CO2 激光器輸出的光束直徑小，高功率使得它要么擴展到較大的區(qū)域，要么快速掃描需要處理的部件表面。因此，CO2 激光器能夠以相對較高的速率處理CFRP 部件的表面。
CO2 激光技術用于CFRP 清潔的主要缺點是：被吸收的光會導致材料內部受熱，熱量會由纖維傳遞給樹脂基材，導致基材的降解，從而破壞層壓材料的完整性。因此，CO2 激光器可用于CFRP 的切割，但不適合于更精密的應用，例如粘接表面的處理。
DPSS 激光器在近紅外區(qū)發(fā)射的基礎波長（通常為1.064 μm）也能夠通過加熱的方式去除材料。但是，DPSS發(fā)出的近紅外光能夠比CO2 激光器輸出的光束更深地穿透大塊材料，對CFRP的破壞潛力更大。
頻率轉換可以將DPSS 激光器輸出的紅外光轉變成紫外光（UV）。紫外激光器產生的高能量光子通過直接破壞原子或分子鍵來去除材料，而不是通過對整塊材料進行加熱。這個過程被稱為激光燒蝕。此外，UV 光能夠被CFRP材料很好地吸收，因而不會穿透材料。因此，用DPSS 紫外激光器處理CFRP可以產生最小的HAZ（熱影響區(qū)）。
然而，目前市場上在售的半導體泵浦固體激光器（DPSSL）技術有一個主要的限制，即紫外線的輸出功率比較低。因此，DPSS 紫外激光器通常不能以較快的速度處理大面積的CFRP 材料。
準分子激光器也能夠輸出紫外光，因此它們在去除CFRP 材料方面的能力與DPSS 紫外激光器是相同的，而且基本上沒有顯著的熱影響區(qū)。然而，準分子激光器的輸出特性與固態(tài)激光器和CO2 激光器非常不同。具體來說，準分子激光器會產生一個大的矩形光束，而其他激光源產生的光束是小而圓的?？梢圆捎霉鈱W器件將原始輸出光束的尺寸進行任意的改變，例如從長而細變?yōu)榫匦巍Ａ硗?，激光光斑的輻照分布可以調整，使其在整個光束區(qū)域均勻分布。
準分子激光器在所有的紫外激光器中具有最高的輸出功率和最大的效率。例如，目前工業(yè)級準分子光源的單位脈沖能量高達2.0 焦；這些激光器的高重復率脈沖在幾十赫茲（Hz）到幾千赫茲之間。高紫外輸出功率、高重復率脈沖以及大光束使得準分子激光器成為大批量CFRP 高精度清潔的理想工具。另外，現(xiàn)代的準分子激光器展示出了出色的穩(wěn)定性和所有權成本特點，使它們成為了這一應用領域的實用選擇。 #p#分頁標題#e#
準分子激光器清潔CFRP
因為準分子激光光束可以很容易地被塑造成不同的尺寸，因此可以根據(jù)CFRP 的確切形狀、特定類型的激光器的能量密度，以及所需的輸出功率實現(xiàn)精確的應用。然而，所有的CFRP 處理方法通常是兩種基本方法的變體，即線掃描或步進- 重復方式（見圖1）。
在線掃描方式中，激光束被塑形為一條線（一個長寬比非常高的矩形），然后連續(xù)地橫掃待清潔的表面。材料特定區(qū)域上輻照的脈沖數(shù)目是由線寬、光線移動速度和激光的重復頻率共同來確定的。如果線路長度比待清潔的區(qū)域的寬度短，則需要在該區(qū)域內設置幾個相鄰的通道。
在步進- 重復方法中，激光束被塑形為正方形或接近正方形的矩形。激光光斑定位在CFRP 表面的固定點上進行輻照（包括一個或多個激光脈沖）。然后，該光束被轉換成與光束寬度對應的距離。該過程不斷重復，待清潔的整個區(qū)域就被以這種方式輻照。
準分子激光器產生的深紫外光波長不能通過光纖傳輸，而且典型的準分子激光傳遞光學器件的物理尺寸和重量都比較大，因此，將CFRP 向激光束移動通常是比較可行的，而不是移動激光束。這些因素也使準分子激光器最適于進行生產工作，而不是現(xiàn)場維修。
準分子激光測試結果
德國Braunschweig 技術大學粘接和復合材料技術系測試了各種類型的激光器在CFRP 預處理方面的能力。這里給出的測試結果是采用Coherent 公司的LPXpro305 準分子激光器獲得的，輸出波長設置為308 nm，脈沖寬度為28ns。光束成形和均質光學系統(tǒng)用于將激光器的輸出光束轉變?yōu)?0 mm×1.8 mm的光線，其能量密度在整個長度上的變化不到1％ rms（輻照度呈高斯分布）。線掃描方法采用的激光密度在400-800mJ/cm2 之間。通過改變激光的重復頻率和掃描線速度，CFRP 部件指定點上的總脈沖輻照變化在1-48 之間。
被測試的CFRP 是采用閉模壓塑工藝生產的典型的航空航天預浸料，固化溫度為120℃，固化壓力大約為3 巴。為了再現(xiàn)表面污染的典型水平，模具上被涂刷了一層有機硅基的脫模劑，沒有使用剝離膜。樣品制成之后，用水冷圓鋸切割，然后用異丙醇清洗，以除去殘留的切削液。
SEM 照片（見圖2）顯示了準分子激光器清潔CFRP 所得到的表面質量，也顯示了該技術的高度可控的去除材料能力。具體來說，這些照片顯示了一個進程：從簡單的去除表面污染物，保持基底材料不變，到各種不同難度的材料的去除，直至露出底層的纖維。
激光清潔之后，粘接好樣品，然后根據(jù)DIN 1465 的標準，采用一個搭接剪切強度測試評估粘接的強度。從測試的結果（見圖3）可以清楚地看出，相對于未處理的參考樣品，研磨和激光清潔兩種方法都能夠大幅度提高粘結強度。在這個測試中，用600mJ/cm2 脈沖能量的兩個脈沖輻照CFRP 的指定區(qū)域，能夠達到最高的粘接強度。輻照強度低于或高于這個值，得到的強度都會差一點（盡管所有采用準分子激光清潔的表面質量都相當不錯）。
最佳的結果發(fā)生在脈沖能量的中間值的原因又與準分子激光的精確的材料去除能力相關。以較低的脈沖能量運行只能去除極少量的材料，所以這些輻照不能完全消除所有的表面污染物。這就降低了最終的粘接強度，失效的部分原因至少是由于粘接失效（粘合劑和被粘物之間的界面失去作用力）。
在最佳的輻照條件下（兩個600 mJ/cm2 的脈沖），材料由于內聚力失效而分離，這意味著材料與表面的粘接強度比粘合劑本身更強。也就是說，激光已經完全去除了所有的表面污染物，但并沒有顯著降低CFRP 材料的強度。
在最佳輻照強度之上，激光已經完全消除了重疊的純環(huán)氧樹脂層，或者，在最高的輻照強度下，激光會開始損壞纖維的浸潤劑。后一種情況的結果就是，總剪切強度降低，從而導致界面失效。
在本次實驗設定的參數(shù)下，LPXpro 305 準分子激光清潔可以達到0.16 m2/min（9.6 m2/h）的速率。然而，市場上有比30W（平均功率）的LPXpro 305 更加強大的工業(yè)準分子激光器。例如，Coherent 公司的LSX 系列激光器，平均功率為540 W。在本測試中，如果采用同一脈沖能量和搭接方式（但脈沖重復頻率為600 Hz），清潔速率可以達到0.97 m2/min（58.3 m2/h），因此，它適用于許多典型的CFRP 部件的生產過程。
非常適合量產
采用粘合劑粘接CFRP（不使用機械緊固件）可以使這些材料達到最高的強度和較低的重量。然而，采用這種粘接技術，需要在粘接之前徹底清潔CFRP 表面，這是它非常大的一個限制。但是要特別指出一點，機械研磨技術和使用剝離層都必須采用額外的工藝步驟，從而導致成本增加。
激光表面清潔能夠保證非常高的粘接強度，比較適用于生產過程。準分子激光尤其特別，它不僅具有較高的光輸出功率，而且非常適合工業(yè)生產中CFRP 的精密處理。此外，準分子激光處理具有很高的可重復性，非常適合于批量生產，是一種連續(xù)而穩(wěn)定的工藝。
作者：Fabian Fischer
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
