碳纖維增強復合材料(CFRP)在航空航天領(lǐng)域的應用日益廣泛,已成為飛機輕量化設(shè)計的重要材料之一。在民用飛機上,復合材料的連接方式有多種,如機械連接、粘接等。與傳統(tǒng)機械連接方法相比,粘接連接具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、無應力集中等優(yōu)點,在復合材料連接中的應用日趨廣泛。目前,粘接結(jié)構(gòu)的可靠性受限于其連接強度和韌性,常使用在次要承載部位,或以輔助的方式參與結(jié)構(gòu)承載,如膠焊和膠鉚等混合連接。因此提高粘接接頭的強度與韌性,對粘接應用具有重要意義。粘接連接的黏結(jié)性能受表面狀態(tài)影響較大,當界面黏結(jié)較為薄弱時,斷裂破壞主要發(fā)生在材料與膠黏劑界面,因此,通常需要對材料表面進行適當處理,改善粘接性能。表面制備方法包括機械方法、化學方法和物理化學方法等。其中,機械方法操作誤差大、表面改性反應緩慢,化學方法易對環(huán)境造成污染,物理化學方法主要包括激光處理和等離子體處理,激光處理是一種快速可控的技術(shù),但過高的熱量容易使纖維產(chǎn)生損傷。與其他處理方式相比,等離子體表面處理具有不損傷材料基體的前提下顯著提高表面活性的優(yōu)勢,是一種高效、環(huán)保、低成本的處理方式,在復合材料、金屬等材料表面改性及粘接表面預處理中具有廣泛應用前景。
使用低溫等離子清洗機對碳纖維增強復合材料膠接面進行預處理,對等離子體處理前后的CFRP表面潤濕性、表面形貌、等表面特性進行分析判斷等離子清洗機處理對碳纖維增強復合材料粘接性能的影響。
碳纖維增強復合材料等離子清洗后表面潤濕性及表面能分析
由粘接界面理論可知,粘接界面強度隨著表面水接觸角的降低而明顯提高,表面形貌、污染物殘留以及表面化學組分的改變等因素均會影響材料表面潤濕性能。圖1為不同時間等離子體處理下CFRP表面水接觸角和二碘甲烷接觸角的測量結(jié)果。未經(jīng)等離子體處理時,CFRP表面平均水接觸角為97°左右,表面呈疏水性,潤濕性較差,不利于CFRP與膠黏劑的界面黏結(jié)。經(jīng)氧氣等離子體表面處理后,隨著處理時間的增加,CFRP表面水接觸角逐漸減小,親水性增加,表面潤濕性能提高。
不同時間氧氣等離子體處理下https://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.pngCFRPhttps://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.png表面水和二碘甲烷接觸角碳纖維增強復合材料等離子清洗機處理前后表面形貌分析
圖2是不同時間氧氣等離子體處理下的SEM圖。從圖2(a)中可以看出,未處理的CFRP表面有輕微劃痕并殘留較多顆粒狀附著物,這可能來自制造及運輸過程中表面被污染,這些污染物的存在阻礙膠黏劑與被黏物的接觸,不利于CFRP與膠黏劑的黏結(jié)。經(jīng)氧氣等離子體處理后的試樣表面形貌發(fā)生明顯變化(圖7(b)~(d)),處理時間t=10s時,試樣表面僅有少量雜質(zhì),表面清潔度增加(圖7(b))。隨著處理時間t增加至20s時,試樣表面雜質(zhì)得到有效清除,同時形成微小凹坑(圖7(c)),這是由于等離子體處理CFRP表面時,激發(fā)的高能離子打斷了表面殘留物的分子鏈,使其電離和激發(fā)成更小的分子鏈,有效清除了表層結(jié)構(gòu)中的水分、灰塵和油脂等,削弱了弱界面層的影響;同時,由于等離子體刻蝕作用,CFRP表面產(chǎn)生了較多微小凹坑,膠黏劑滲入表層凹坑后,增大了粘接接觸面積,提高了機械黏結(jié)力。同時隨著處理時間t延長至30s,高能粒子對CFRP表層樹脂刻蝕加劇,導致表面的刻蝕凹坑逐漸擴大(圖2(d)),這些大面積凹坑的存在會使基體表面與膠黏劑黏結(jié)過程中產(chǎn)生空隙及孔洞,不利于粘接強度進一步增加。
不同時間氧氣等離子體處理下http://m.t4705.cn/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.pngCFRPhttp://m.t4705.cn/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.png表面http://m.t4705.cn/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.pngSEMhttp://m.t4705.cn/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.png圖經(jīng)過等離子清洗機清洗后碳纖維復合材料表面發(fā)生刻蝕,表面粗糙度和最大高度差降低,并產(chǎn)生較多谷峰分布的溝壑,有效提高了粘接表面積,使基體表面得到更充分的浸潤。表面接觸角從97°降至29°,表面極性分量及其所占比例的增加,有利于膠黏劑在表面接觸角從97°降至29°,表面極性分量及其所占比例的增加,有利于膠黏劑在CFRP表面更好的潤濕及吸附。24686