張 朵，毛英坤，李 華，孫宇楠，陳 靜，周如東

（1.航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150000；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016；3.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 213012）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐疲勞、耐磨損以及易于整體成型等諸多優(yōu)異性能。將該類材料應(yīng)用于航空領(lǐng)域，可顯著降低航空飛行器的質(zhì)量，提升飛行器的靈活性、可靠性、攜帶能力、隱身吸波能力以及尺寸穩(wěn)定性。為提高碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制件的裝飾性、抗紫外光老化性以及耐介質(zhì)性，通常需要在材料表面涂覆涂層。然而，在實際生產(chǎn)過程中，為使復(fù)合材料成型時便于脫模，常會在模具表面涂覆一層含硅或蠟的脫模劑，在材料成型過程中，脫模劑會擴(kuò)散到材料表層，形成一層吸附層，該吸附層會阻隔涂料與基體的接觸，極大地影響涂層與復(fù)合材料之間的結(jié)合力。因此，復(fù)合材料的噴漆前處理顯得尤為重要［1］。

目前，國內(nèi)航空制造企業(yè)對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行噴漆前處理的方式主要為手工打磨，該方式不僅效率低，而且因施工人員個體差異，會出現(xiàn)打磨不均勻、效果差等問題，從而導(dǎo)致噴漆前表面處理質(zhì)量無法保證。與此同時，飛揚的塵屑會造成環(huán)境污染，影響操作者的身體健康。而國外航空制造企業(yè)早已采用噴丸技術(shù)，即使用塑噴機(jī)噴射非金屬丸粒至復(fù)合材料表面，以去除脫模劑并提高基材表面粗糙度。國外著名的航空企業(yè)，如空客、波音公司等均已采用該技術(shù)進(jìn)行噴漆前表面處理［2-5］。

本研究通過對不同噴射條件下處理試片的表面狀態(tài)、理化性能以及微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行表征，確定了復(fù)合材料噴漆前處理的最佳噴射工藝參數(shù)。

1 試驗部分

1.1 主要原料及設(shè)備

塑料介質(zhì)丸粒，進(jìn)口；復(fù)合材料專用底漆，中海油常州環(huán)保涂料有限公司；碳纖維增強(qiáng)樹脂基航空復(fù)合材料，哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。

LEO 1530 VP掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司；HC-8000萬能材料試驗機(jī)，蘇州華川檢測儀器有限公司；USIP 20多通道超聲波探傷儀，美國GE公司；STD 2000A噴丸設(shè)備，法國羅斯勒公司。

1.2 樣品制備

使用壓縮空氣對經(jīng)手工打磨或噴丸前處理的碳纖維增強(qiáng)樹脂基航空復(fù)合材料表面進(jìn)行吹掃，噴涂復(fù)合材料專用底漆，干膜厚度（30±3）μm，在常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d。

1.3 性能測試

表觀狀態(tài)：目測；噴漆后涂層與復(fù)合材料的結(jié)合力：按照GB/T 5210—2006進(jìn)行測試；層間剪切強(qiáng)度：按照ASTM D 2344—2013進(jìn)行測試；壓縮強(qiáng)度：按照ASTM D 6641—2016進(jìn)行測試；超聲波無損檢測：檢測人員在超聲波衰減最小處作標(biāo)記，以此為基準(zhǔn)，其他區(qū)域不允許超聲波衰減大于9 dB。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)的確定

該噴丸技術(shù)所采用的塑噴機(jī)通常由噴砂房、介質(zhì)回收系統(tǒng)、介質(zhì)分選系統(tǒng)、噴砂系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成（圖1）。料斗中的塑料丸粒通過輸送機(jī)構(gòu)傳輸至噴砂機(jī)噴出，噴砂后的塑料丸粒由介質(zhì)回收系統(tǒng)回收后，經(jīng)介質(zhì)分選系統(tǒng)進(jìn)行篩分，將尺寸符合要求的丸粒重新傳輸回料斗，形成一個不斷循環(huán)的噴砂過程。噴漆前在復(fù)合材料零件表面噴射適當(dāng)強(qiáng)度、硬度的塑料丸粒進(jìn)行脫膜處理，既能實現(xiàn)去除復(fù)合材料零件成型后表面殘留的脫模劑等物質(zhì)的目的，又不會對復(fù)合材料零件自身性能造成不良影響。

圖 1 塑噴機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of plastic sprayer

根據(jù)MIL-P-85891 A—1992《用于去除有機(jī)涂料的塑料濾料》、波音公司文件BAC 5748、BAC 5725以及塑噴設(shè)備制造商推薦的噴涂參數(shù)，選取噴射距離、噴射角度、介質(zhì)流量、噴射壓力這4項工藝參數(shù)作為研究對象。其中，噴射距離范圍為150～250 mm，噴射角度范圍為30°～80°，噴射壓力范圍為6.8～18 kg，介質(zhì)流量范圍為23～36 kg/h。

通過目視檢查表觀質(zhì)量的方法對噴射效果進(jìn)行定性分析，探究各參數(shù)的取值對噴射效果的影響規(guī)律，在初步進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗后，對優(yōu)化參數(shù)試驗作如下調(diào)整：（1）噴射距離，150～250 mm內(nèi)噴射效果良好，因此不再作為變量參與摸索，在試驗中將噴射距離定為200 mm；（2）噴射角度，在實際生產(chǎn)操作中，由于工件形狀多樣的限制，噴射角度變化范圍較大且不易控制，同時通過試驗發(fā)現(xiàn)該參數(shù)對噴射效果的影響不明顯，因此在試驗中采用操作方便的角度60°進(jìn)行噴射，噴射角度也不再作為變量參與摸索試驗；（3）噴射壓力，當(dāng)噴射壓力＜9 kg或＞16 kg時，無論其他參數(shù)如何變化，噴射效果始終明顯不好，因此將噴射壓力參數(shù)取值范圍調(diào)整為9～16 kg；（4）介質(zhì)流量，當(dāng)介質(zhì)流量＜27 kg/h時，無論其它參數(shù)如何變化，噴射效果始終明顯不好，因此將介質(zhì)流量參數(shù)取值范圍調(diào)整為27～36 kg/h。

將噴射距離和噴射角度作為固定工藝參數(shù)，噴射壓力和介質(zhì)流量作為變量工藝參數(shù)，開展下一步研究工作。

2.2 變量工藝參數(shù)的影響

進(jìn)一步深入研究噴射壓力和介質(zhì)流量對復(fù)合材料表觀狀態(tài)以及涂層與處理后復(fù)合材料之間結(jié)合力的影響，結(jié)果見表1。

表1 噴射壓力和介質(zhì)流量對復(fù)合材料表觀狀態(tài)以及涂層與處理后復(fù)合材料之間結(jié)合力的影響Table 1 The effect of spray pressure and medium flow on the surface condition and the adhesion between the coating and treated composite material

由表1可知：（1）隨著噴射壓力和介質(zhì)流量的增大，脫模劑的去除效果變好；（2）噴射壓力或介質(zhì)流量過低，脫模劑清除效果差，涂層與處理后復(fù)合材料之間的結(jié)合力較差；（3）隨著噴射壓力和介質(zhì)流量的進(jìn)一步增大，復(fù)合材料的樹脂基被破壞，出現(xiàn)碳纖維裸露現(xiàn)象，雖然涂層與處理后復(fù)合材料之間的結(jié)合力獲得增強(qiáng)，但是復(fù)合材料本身的性能會有所下降；（4）3#試片、5#試片以及7#試片的目視表觀狀態(tài)良好，并且，涂層與3種試片之間的拉開法結(jié)合力均大于16 MPa。

該噴丸技術(shù)的原理是通過塑料介質(zhì)丸粒與復(fù)合材料表面之間產(chǎn)生機(jī)械摩擦，去除脫模劑并提高基材表面的粗糙度以提高涂層與復(fù)合材料之間的結(jié)合力。由于復(fù)合材料與塑料介質(zhì)丸粒之間存在物理接觸，因此，在保證前處理效果的同時，還需考察該處理方式對復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過層間剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度兩項指標(biāo)來表征復(fù)合材料的力學(xué)性能；通過超聲波無損探傷來表征復(fù)合材料是否存在分層缺陷。前處理方式對復(fù)合材料性能的影響見表2。

表2 前處理方式對復(fù)合材料性能的影響Table 2 Effect of pretreatment methods on properties of composites

由表2可見：（1）與原始試片相比，采用手工打磨和噴丸處理兩種方式處理的試片，其層間剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均有所下降，其中，5#試片的力學(xué)性能降幅最大；（2）3#試片和7#試片的力學(xué)性能降幅較小，且兩種試片的力學(xué)性能均優(yōu)于手工打磨試片的力學(xué)性能；（3）4種試片的超聲波衰減差值均＜9 dB，即手工打磨和噴丸前處理方式均未對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)造成超出允許范圍的分層缺陷。

綜合表1和表2的試驗數(shù)據(jù)可知，噴射壓力14 kg，介質(zhì)流量27 kg/h為最佳工藝參數(shù)。

2.3 噴丸技術(shù)對復(fù)合材料表面狀態(tài)的影響

選取碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料試片，對其原始狀態(tài)、手工打磨處理狀態(tài)以及噴丸處理狀態(tài)的掃描電鏡照片進(jìn)行對比分析（圖2）。

圖2 復(fù)合材料處理前后的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM photos of composite material before and after treatment

由圖2a中可見，未經(jīng)處理的試片表面呈現(xiàn)細(xì)密的細(xì)紋狀紋理，這是復(fù)合材料成型時模具表面的紋理造成的，此外，試件表面還呈現(xiàn)出一些河流狀條帶凹槽，這些凹槽呈區(qū)域性分布，各凹槽之間具有清晰的邊界；由圖2b和圖2c可見，手工打磨和噴丸處理后試片的表面狀態(tài)相似，均出現(xiàn)了大量的形狀不規(guī)則、分布隨機(jī)的封閉紋理，這種粗糙的表面形貌可有效提高復(fù)合材料與涂層的結(jié)合力，與此同時，采用上述兩種處理方式處理的試片表面均未出現(xiàn)纖維裸露或斷裂現(xiàn)象，這說明上述兩種前處理方式對復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生破壞。

3 結(jié)語

通過對不同噴射條件下處理試片的表面狀態(tài)、理化性能以及微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行表征，確定了復(fù)合材料噴漆前處理的最佳噴射壓力和介質(zhì)流量。與傳統(tǒng)手工打磨前處理方式相比，噴丸前處理技術(shù)具有施工效率高、處理效果好、對基材性能影響小的優(yōu)勢，能夠滿足各種異形件的前處理要求以及環(huán)保要求。