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人們研究了在粘合之前獲取理想表面質(zhì)量的各種技術(shù)。這些措施包括采用剝離層，以及各種機(jī)械制備技術(shù)，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(wèn)題，要么是復(fù)雜度問(wèn)題，要么需要后續(xù)的清洗操作。

以準(zhǔn)分子激光為基礎(chǔ)的表面清潔和燒蝕技術(shù)現(xiàn)在可以提供一種實(shí)用的替代方案，采用此技術(shù)產(chǎn)生的表面可以滿足粘接所需的特性要求。

碳纖維強(qiáng)化塑料背景

碳纖維增強(qiáng)塑料由所謂的增強(qiáng)材料和基質(zhì)組成。增強(qiáng)材料是碳纖維，通常象織物一樣交織起來(lái)，提供承重強(qiáng)度和剛性。其它纖維，如凱夫拉爾，鋁或者玻璃等也會(huì)添加進(jìn)來(lái)?；|(zhì)通常是環(huán)氧基樹(shù)脂或某些其它聚合樹(shù)脂，它將增強(qiáng)材料包圍起來(lái)，并將其綁定在一起。

使用帶狀鋪疊、模塑、樹(shù)脂傳遞成型或編織等各種技術(shù)可以制造出各種形狀和尺寸的碳纖維增強(qiáng)塑料組件。構(gòu)造更大型的混合結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)零部件，就需要將各個(gè)裝配式碳纖維增強(qiáng)塑料組件連接起來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的緊固件（比如螺釘或鉚釘）需要鉆孔，這就會(huì)破壞載荷纖維的結(jié)構(gòu)。此外，這些緊固件周圍的內(nèi)部應(yīng)力可能會(huì)很高，因?yàn)樗鼈儗⒊休d功能集中在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。這可能需要在應(yīng)力點(diǎn)周圍使用加強(qiáng)件，這必然會(huì)增加組件的總重量。最后一點(diǎn)，金屬緊固件本身可能會(huì)顯著增加組件的重量。后兩個(gè)因素會(huì)降低碳纖維強(qiáng)化塑料高強(qiáng)度和低質(zhì)量的特性，而這是碳纖維強(qiáng)化塑料最為有用的特性。

粘合劑連接

選擇粘合劑粘接則可以避免上述問(wèn)題。更具體地說(shuō)，它不需要在碳纖維塑料上打孔，可以將機(jī)械負(fù)荷分布在整個(gè)接合面上，而且也不會(huì)增加組裝件成品的重量。

然而，為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楸娝苤?，粘接?qiáng)度與粘接之前的表面清潔程度高度相關(guān)。但是，清潔過(guò)程不能對(duì)基底的CFRP產(chǎn)生任何損壞，特別是不能損壞載荷纖維。

表面處理技術(shù)

目前，在進(jìn)行粘合之前，對(duì)碳纖維材料零件進(jìn)行清洗和準(zhǔn)備工作的技術(shù)包括機(jī)械研磨和噴砂工藝。不幸的是，這些方法都存在缺陷。例如，大多數(shù)機(jī)械研磨工藝生產(chǎn)效率低下，并且通常需要進(jìn)行濕態(tài)操作， 這就意味著隨后還需要進(jìn)行沖洗和干燥的過(guò)程，進(jìn)一步增加了生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了加工時(shí)間。同樣的，噴砂處理也會(huì)使纖維有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，留下殘余物和灰塵，從而不得不增加后續(xù)的清洗過(guò)程。

航空航天領(lǐng)域流行的CFRP表面粘接準(zhǔn)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(shù)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(shù)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(diǎn)是它們必須經(jīng)過(guò)層壓制成零件，這就增加了制造過(guò)程的復(fù)雜性。另外，這種方法并不適用于修復(fù)粘接件。剝離層的效率和可重復(fù)性也存在問(wèn)題。

激光表面處理的優(yōu)勢(shì)

激光表面預(yù)處理工作包括在碳纖維塑料上燒蝕一薄層材料。在其它應(yīng)用中，這種清洗方法已被證明能夠避免幾乎所有其它技術(shù)的缺陷，并能有效率去除幾乎所有的殘留污染物。和機(jī)械技術(shù)不同，激光清洗幾乎不需要進(jìn)行表面處理，可以在干燥狀態(tài)下進(jìn)行，清洗后的材料表面不會(huì)留下殘余物，容易操作， 產(chǎn)品質(zhì)量高度一致，因?yàn)檫@是一種無(wú)磨損非接觸工藝。此外，可以應(yīng)用于碳纖維塑料修復(fù)工作。

但是，為了讓激光清洗工藝產(chǎn)生比機(jī)械方法和剝離層方法更好的效果，激光清洗不能夠?qū)φ麎K樹(shù)脂或負(fù)載纖維造成損傷。這樣的話，使用遠(yuǎn)紅外CO2激光器、近紅外固體激光器和光纖激光器等波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光器時(shí)就會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)樗羞@些激光器通過(guò)加熱方式來(lái)去除材料。對(duì)整塊材料加熱會(huì)造成纖維損傷以及基體的破裂。相反，紫外激光器主要通過(guò)光切除而非熱機(jī)制來(lái)去除材料， 從而不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)域，并能進(jìn)行高度精確的材料去除。（見(jiàn)圖1）

就現(xiàn)有的紫外激光技術(shù)來(lái)說(shuō)，脈沖準(zhǔn)分子激光器能提供最大的脈沖能量（高達(dá)2J）。此外，準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生大的矩形光束易于塑形和均質(zhì)化，從而匹配碳纖維塑料表面預(yù)處理應(yīng)用的幾何結(jié)構(gòu)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些特性可以實(shí)現(xiàn)材料的快速去除和高效的生產(chǎn)能力，甚至在應(yīng)對(duì)更大型的碳纖維塑料零件時(shí)也是如此?，F(xiàn)有的準(zhǔn)分子激光器由于能超過(guò)一年以上時(shí)間在三班制高占空比操作中都不需要進(jìn)行維護(hù)，在其它工業(yè)應(yīng)用中已有良好的表現(xiàn)記錄。

準(zhǔn)分子激光器清潔

因?yàn)闇?zhǔn)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、特定類型激光器的能量密度，以及所需的輸出功率實(shí)現(xiàn)精確的應(yīng)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(jìn)- 重復(fù)方式（見(jiàn)圖2）。

在線掃描方式中，激光光束呈線條狀（即一個(gè)長(zhǎng)寬比非常高的矩形），連續(xù)地橫掃待清理的表面。材料特定區(qū)域上輻照的脈沖數(shù)目是由線寬、光線移動(dòng)速度和激光的重復(fù)頻率共同來(lái)確定的。如果線路長(zhǎng)度比待清潔的區(qū)域的寬度短，則需要在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置幾個(gè)相鄰的通道。

在步進(jìn)-重復(fù)方法中，激光光束呈方形或近正方形的矩形。激光光斑定位在碳纖維塑料表面的一個(gè)固定點(diǎn)上進(jìn)行輻照，并形成一個(gè)曝光區(qū)域（由一道或者更多激光脈沖組成）。隨后，激光光束依據(jù)其寬度被轉(zhuǎn)換成與光束寬度相對(duì)應(yīng)的距離，該過(guò)程不斷重復(fù)，待清潔的整個(gè)區(qū)域就被以這種方式輻照。

需要清潔的整個(gè)區(qū)域按照這種方式依次完成。對(duì)于兩種方法來(lái)說(shuō)，考慮到準(zhǔn)分子光束傳遞光學(xué)器件的物理尺寸和重量都比較大，移動(dòng)碳纖維塑料比移動(dòng)激光光束更具操作性，更劃算。

準(zhǔn)分子激光測(cè)試結(jié)果

德國(guó)Braunschweig技術(shù)大學(xué)粘接和復(fù)合材料技術(shù)系對(duì)使用Coherent公司的 LPXpro 305準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行表面處理的碳纖維塑料的粘接強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，并將該結(jié)果與使用傳統(tǒng)表面處理方法后的碳纖維塑料的粘接強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。在這一研究中，準(zhǔn)分子激光器獲得，輸出波長(zhǎng)設(shè)定為308nm，脈沖持續(xù)時(shí)間為28ns。原始激光輸出被轉(zhuǎn)換成30mm×1.8mm的區(qū)域大小，其能量密度在整個(gè)長(zhǎng)度上的變化不到1%，輻照度呈高斯分布。使用了線掃描方法，激光能量密度在400-800mJ/cm2。通過(guò)改變激光重復(fù)頻率和掃描線速度，碳纖維塑料上給定點(diǎn)的脈沖輻照變化在1-48之間。被測(cè)試的碳纖維塑料是是采用閉模壓塑工藝生產(chǎn)的典型的航空航天預(yù)浸料，模具上被涂刷了一層有機(jī)硅基的脫模劑。掃描電鏡圖（圖3）顯示了準(zhǔn)分子激光技術(shù)能夠嚴(yán)格控制粘接和基質(zhì)材料去除， 且不會(huì)對(duì)曝露的纖維造成損害。

在激光清洗后，粘接好樣品，并測(cè)量粘接的強(qiáng)度。從測(cè)試的結(jié)果可以清楚地看出，相對(duì)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(jié)強(qiáng)度。在這個(gè)測(cè)試中，用600mJ/ cm2脈沖能量的兩個(gè)脈沖輻照CFRP的指定區(qū)域，能夠達(dá)到最高的粘接強(qiáng)度。即使出現(xiàn)了問(wèn)題，也發(fā)生在基質(zhì)內(nèi)部而非粘接邊界，這意味著粘接強(qiáng)度要高于整個(gè)基質(zhì)材料。

以較低的脈沖能量運(yùn)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(qiáng)度。

在最佳輻照強(qiáng)度之上，激光已經(jīng)完全消除了重疊的純環(huán)氧樹(shù)脂層，或者，在最高的輻照強(qiáng)度下，激光會(huì)開(kāi)始損壞纖維的浸潤(rùn)劑（涂料指碳纖維表面的化學(xué)涂層，能夠增強(qiáng)與基體樹(shù)脂的粘度）。造成的結(jié)果就是總剪切強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致界面失效。

雖然其它粘接和基體材料配方的最佳脈沖數(shù)量和能量密度可能有所不同，上述測(cè)試清楚地表明，使用正確參數(shù)的準(zhǔn)分子激光處理技術(shù)能夠獲得的最大抗剪切強(qiáng)度要達(dá)到或超過(guò)使用研磨技術(shù)的結(jié)果。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)下，LPXpro 305準(zhǔn)分子激光清潔可以達(dá)到0.16m2/min（9.6m2/h），略慢于商用速度。但是，現(xiàn)在也有功率超過(guò)30W（平均功率）的準(zhǔn)分子工業(yè)激光器。例如， Coherent LSX系列激光器的平均功率為540W。使用和測(cè)試中同樣脈沖能量的搭接方式，但是重復(fù)率為600Hz，清潔效率就能達(dá)到0.97m2/min（58.3m2/h，從而適用于許多典型的CFRP部件的生產(chǎn)過(guò)程。

總之，如果在進(jìn)行粘接之前能夠適當(dāng)處理好粘接表面，那么碳纖維塑料粘接比其它連接技術(shù)具有更多優(yōu)勢(shì)。準(zhǔn)分子激光器表面處理技術(shù)在最終粘接強(qiáng)度上能優(yōu)于其它方法，同時(shí)也更經(jīng)濟(jì)適用。此外，這一技術(shù)具有很高的可重復(fù)性，非常適合于批量生產(chǎn)，是一種連續(xù)而穩(wěn)定的工藝。