占小紅，范喜祥，高川云，林 瑋

（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106；2.中航飛機(jī)股份有限公司模具鍛鑄廠，西安 700089；3.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，南京 211106）

樹脂基復(fù)合材料的膠接技術(shù)在各類飛機(jī)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，圖1為使用情況，其中復(fù)合材料使用量高達(dá)50%。膠接是一種重要的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方法[2-3]，研究樹脂基復(fù)合材料膠接技術(shù)可以進(jìn)一步推動(dòng)飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展[4]?？湛惋w機(jī)制造過(guò)程中膠接部分大量使用[5]，膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕但強(qiáng)度高，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能和表面氣動(dòng)特性有明顯的改善[6]，同時(shí)還可以大幅減少結(jié)構(gòu)件重量和成本。飛機(jī)上蜂窩膠接結(jié)構(gòu)占機(jī)體表面積的85%，比鉚接結(jié)構(gòu)減重30%。玻璃纖維鋁合金復(fù)合層板膠接結(jié)構(gòu)（GLARE層板）是將各向同性的鋁合金薄板與各向異性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)合起來(lái)，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)且克服了各自的缺點(diǎn)。

樹脂基復(fù)合材料在進(jìn)行膠接前，往往需要通過(guò)對(duì)膠接表面進(jìn)行預(yù)處理以去除表面雜質(zhì)，提高粗糙度，從而獲得高強(qiáng)度的膠接接頭。對(duì)于樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的膠接表面，通常要進(jìn)行機(jī)械打磨或噴砂表面處理，然而打磨和噴砂表面處理對(duì)其表面的破壞較大，往往達(dá)不到最理想的表面處理效果。利用脈沖激光對(duì)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，能夠更加高效和徹底，并且對(duì)表面的破壞性較小，如圖2所示。

激光表面預(yù)處理是利用激光的高能量脈沖使材料表面污物、雜質(zhì)或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)、剝離或裂解等復(fù)雜反應(yīng)，達(dá)到高效清潔工件表面的目的，如圖3所示。激光表面清洗幾乎對(duì)環(huán)境無(wú)污染，清潔效率高[7]，在樹脂基復(fù)合材料表面清洗和表面改性方面具有廣闊的發(fā)展前景。激光清洗的機(jī)理可以大致分為以下兩大類：（1）清潔基體和污染物之間的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)溫度差別較大，或者是兩者對(duì)某一特定波長(zhǎng)激光具有明顯不同的吸收系數(shù)。污染物吸收激光能量后，發(fā)生汽化揮發(fā)或者瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離清潔基體的表面，從而達(dá)到清洗的目的。激光波長(zhǎng)和激光能量的大小會(huì)影響此類激光清洗的效果。（2）當(dāng)清洗前基體材料和污染物的特性差異不大時(shí)，多采用高頻率和高功率密度的脈沖激光。在脈沖激光的作用下，基體的表面溫度相對(duì)較低，而污染層的溫度較高，在污染層中產(chǎn)生很大的溫度梯度。在隨后的冷卻過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的分裂應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)分裂應(yīng)力足夠大時(shí)，會(huì)克服污染層與基體表面間的親和力，此時(shí)污染層便逐漸從基體表面分離。

圖1 波音787材料使用情況Fig.1 Boeing 787 material usage

圖2 樹脂基復(fù)合材料膠接表面激光處理示意圖Fig.2 Schematic diagram of resin composites bonding laser clean

圖3 激光表面清洗原理Fig.3 Schematic diagram of laser clean

與傳統(tǒng)表面處理方法相比，近年來(lái)出現(xiàn)的可剝布方法具有高效率的特點(diǎn)，但是也會(huì)經(jīng)常面臨復(fù)合材料預(yù)浸料與可剝布材料不匹配而導(dǎo)致弱粘接甚至脫粘的情況。國(guó)外利用激光對(duì)材料進(jìn)行表面處理，并取得了一些研究成果。Kibler等[8]采用連續(xù)波CO2激光處理碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，探究了激光功率密度、光斑尺寸、光斑形狀、材料鋪層方式、靶板厚度和輻照時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)燒蝕效應(yīng)的影響。Freeman等[9]利用半橢球形的反射儀研究碳纖維/酚醛和玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料對(duì)1.3μm激光的反射特性，探究隨著溫度的改變反射率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在材料發(fā)生碳化之前，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料對(duì)該波長(zhǎng)激光的反射率會(huì)隨著溫度的升高而增大，碳化后則明顯減?。惶祭w維/酚醛復(fù)合材料的反射率會(huì)先隨著溫度的升高而增大，當(dāng)溫度大于1000℃后，反射率基本不發(fā)生變化。Hirogaki等[10]利用CO2脈沖激光分別對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂和芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂進(jìn)行激光燒蝕處理，研究脈沖間隔對(duì)材料熱影響區(qū)的影響。

脈沖激光具有單色性好、輸出能量高、發(fā)散度極小的特點(diǎn)，在高分子材料和金屬材料表面處理方面已經(jīng)開始應(yīng)用脈沖激光技術(shù)手段，國(guó)內(nèi)對(duì)此也有不少的研究[11-12]。2008年，萬(wàn)紅等[13]采用不同功率密度的連續(xù)激光分別處理碳纖維和高硅氧纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂基復(fù)合材料，研究樹脂基復(fù)合材料的破壞形式、組織結(jié)構(gòu)及性能的變化。結(jié)果表明：當(dāng)激光功率密度大于某一特定值時(shí)，樹脂基體會(huì)發(fā)生燃燒，玻璃纖維增強(qiáng)相會(huì)發(fā)生熔融現(xiàn)象而碳纖維增強(qiáng)相沒(méi)有發(fā)生明顯的損傷。2010年，李雅娣等[14]采用YAG激光對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)，研究該材料在不同激光功率密度和激光輻照時(shí)間下的燒蝕特性和溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)，并對(duì)該復(fù)合材料層壓板進(jìn)行熱失重測(cè)試分析，研究材料的熱分解規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外利用脈沖激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）表面處理的研究甚少。影響表面處理效果的因素包括基底與污物材料本身、脈沖激光參數(shù)等，選擇合適的激光參數(shù)可以達(dá)到良好的表面清洗效果。本文主要從激光功率密度和清洗后的表面形貌的角度，探究激光功率和掃描速度分別對(duì)CFRP表面形貌的影響，通過(guò)掃描電鏡觀察材料的表面形貌進(jìn)一步分析脈沖激光對(duì)樹脂基復(fù)合材料的表面損傷情況，并最終獲得激光清洗的最佳工藝參數(shù)。

激光清洗工藝試驗(yàn)

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用樹脂基復(fù)合材料試樣是T300單向碳纖維預(yù)浸料鋪層的CFRP板材，所用樹脂為某型號(hào)環(huán)氧樹脂，鋪層數(shù)為8層，大小為100mm×25mm×2mm。板材的表面存在基體樹脂、脫模劑等物質(zhì)，在膠接前進(jìn)行表面激光清洗去除雜質(zhì)。本研究中采用的IPG-YLP系列光纖脈沖激光器如圖4所示，最大功率達(dá)100W，可調(diào)節(jié)范圍在5%～100%，激光的光斑直徑為50μm，波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為100ns通過(guò)控制激光功率、脈沖頻率和掃描速度獲取不同的CFRP清洗效果。本試驗(yàn)在激光清洗處用粉塵吸塵器對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體及粉塵進(jìn)行了吸收處理，但并未使用保護(hù)氣體。

2 激光表面預(yù)處理試驗(yàn)

準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的樹脂基復(fù)合材料CFRP板材，利用頻率為50kHz的紅外脈沖激光清洗CFRP表面的脫模劑及雜質(zhì)污染物，而不損壞樹脂基復(fù)合材料表面的纖維結(jié)構(gòu)。脈沖激光清洗CFRP的掃描路徑為向下往復(fù)掃描，激光掃描路徑如圖2所示。為了防止碳纖維在清洗過(guò)程中斷裂，需要選擇合適的工藝參數(shù)，通過(guò)控制激光功率、掃描速度和脈沖頻率獲取不同的CFRP表面清洗結(jié)果。試驗(yàn)中的工藝參數(shù)選擇如表1所示。

結(jié)果與討論

脈沖激光輻照CFRP板材會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，包括熱解、燒蝕和氧化等熱損傷行為。在CFRP的表面上樹脂吸收激光輸入熱流能量，氧化分解、汽化產(chǎn)生濃烈的白煙。若激光輸出功率較低，則表面樹脂不能被完全清除；若激光輸出功率過(guò)高，則碳纖維會(huì)被燒損。因此需要獲得合適的工藝參數(shù)，使樹脂得到清除而纖維不至于燒損，以滿足膠接的條件。

當(dāng)脈沖頻率為50kHz時(shí)，通過(guò)1064nm激光對(duì)CFRP進(jìn)行表面清洗。圖5（a）是掃描速度為7000mm/s且激光功率為11.1W時(shí)激光清洗CFRP的宏觀與微觀形貌圖。此參數(shù)下，激光功率密度達(dá)到565.32kW/cm2，激光能量被表面的雜質(zhì)與樹脂吸收，但激光的功率密度較小只能清除部分樹脂，暴露出完整的碳纖維，無(wú)法徹底清洗樹脂基復(fù)合材料表層的樹脂或者污染物。殘留的樹脂也吸收了一定的激光能量并發(fā)生了分解，化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變，與碳纖維的結(jié)合方式也和未清洗前不同。此時(shí)的殘留樹脂具有較大脆性，與碳纖維結(jié)合力極弱，膠接后樹脂與碳纖維容易分離而發(fā)生粘接界面剝離，對(duì)膠接強(qiáng)度有較大影響。因此應(yīng)該在此基礎(chǔ)上增加激光的輸出功率以將樹脂完全清除。

圖5（b）為掃描速度7000mm/s，激光功率22.2W時(shí)的CFRP表面微觀形貌。在掃描速度不變的情況下，增加激光輸出功率，由圖5（b）可見(jiàn)在此參數(shù)下CFRP表面樹脂完全清除，但是碳纖維有部分被燒斷，這是因?yàn)榇藭r(shí)激光功率密度達(dá)到1130.64 kW/cm2，當(dāng)輸出激光功率過(guò)大時(shí)，輸出的能量不僅將雜質(zhì)與樹脂汽化分解，過(guò)量的熱還將碳纖維燒損。燒損的碳纖維層還存在長(zhǎng)軸沿纖維方向的近似橢圓形燒蝕坑，這是由于碳纖維在徑向和軸向的導(dǎo)熱系數(shù)不同，沿軸向的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而沿徑向的導(dǎo)熱系數(shù)較小。此外，隨著切面深度的增加，激光對(duì)碳纖維的熱影響降低，燒損的只是表層的碳纖維，深層的纖維未受到損傷。

圖4 IPG-YLP光線脈沖激光器Fig.4 IPG-YLP fiber-optic pulse laser

表1 激光處理試驗(yàn)參數(shù)

圖5 掃描速度7000mm/s下不同激光功率清洗CFRP表面的宏觀與微觀形貌Fig.5 SEM micrograph of laser cleaning CFRP with different laser power under scanning speed of 7000mm/s

圖6 激光功率25.9W時(shí)不同掃描速度下激光清洗CFRP表面形貌Fig.6 SEM micrograph of laser cleaning CFRP with different scanning speeds under laser power of 25.9W

為了得到合適的預(yù)處理工藝參數(shù)，在清除樹脂的情況下保證碳纖維的完整性，調(diào)節(jié)掃描速度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，掃描速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致表層樹脂清除不完全，因?yàn)檩^快的掃描速度導(dǎo)致脈沖激光在CFRP的能量密度分布降低，所以在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)激光功率從而達(dá)到表層雜質(zhì)和樹脂完全清除的情況下而碳纖維不受損傷的目的。圖6為激光功率25.9W時(shí)不同掃描速度下激光清洗CFRP表面形貌。對(duì)比圖6（a）與（b）可知此激光功率下在掃描速度為8000 mm/s時(shí)CFRP上的能量密度分布仍然較大，雖然表面樹脂被完全清除，但碳纖維仍然有部分被燒斷。將掃描速度增至9000mm/s，此時(shí)激光功率密度為1319.08kW/cm2，激光表面清洗效果最好。在此參數(shù)下激光對(duì)CFRP表層雜質(zhì)和樹脂清洗較為徹底，表面基本沒(méi)有樹脂殘留，表層碳纖維完全裸露且較為完整，沒(méi)有發(fā)生碳纖維燒損的現(xiàn)象，且碳纖維周圍仍有部分樹脂包裹，說(shuō)明激光燒蝕深度較淺，沒(méi)有對(duì)碳纖維內(nèi)部造成燒損。這是由于碳纖維和樹脂的導(dǎo)熱率和比熱容不同，環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率為0.7W/（m·K），比熱容為1.6J/（kg·℃）而碳纖維的熱導(dǎo)率為1.56W/（m·K），比熱容為0.17J/（kg·℃），即碳纖維升溫所需吸收的激光能量要遠(yuǎn)大于樹脂，碳纖維在受到激光輻照時(shí)能夠更快地把熱量傳導(dǎo)出去，而且碳纖維的汽化溫度高達(dá)3317℃，樹脂氣化溫度只有510℃。因此在激光功率達(dá)到1319.08kW/cm2時(shí)表層的樹脂完全汽化分解，而碳纖維未被燒斷。在此參數(shù)下，樹脂的清除情況和碳纖維的完整程度均達(dá)到了本試驗(yàn)預(yù)期的結(jié)果，滿足膠接的條件，所以掃描速度9000mm/s，激光功率25.9W，脈沖頻率50kHz為本試驗(yàn)中的最佳工藝參數(shù)。

結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)激光處理后CFRP表面樹脂被不同程度清除，掃描速度為7000mm/s，激光功率為22.2W和25.9W，材料表層樹脂和污染物基本清洗干凈。隨著掃描速度的增加其樹脂清除率下降，但碳纖維完整性得到提升；當(dāng)功率增加時(shí)，其樹脂清除率上升，但碳纖維完整性遭到破壞。

（2）通過(guò)提高掃描速度和調(diào)整激光功率，發(fā)現(xiàn)掃描速度為9000 mm/s，激光功率為25.9W，激光功率密度為1319.08kW/cm2時(shí)，表面樹脂剛好被完全清除，碳纖維完全裸露且碳纖維保持完整未被燒損。激光表面清洗的效果最好，并且對(duì)碳纖維的破壞較小，因而此組試驗(yàn)為最佳工藝參數(shù)組合。

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