玻纤增强环氧树脂与纤维增强PA66的激光透射连接

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激光透射连接作为一种新型连接方法,已广泛应用于热塑性聚合物之间以及热塑性聚合物与金属之间连接,而热固性聚合物与热塑性聚合物之间也存在连接需求,但当前这方面知识缺乏,限制了其应用。本文针对热固性玻纤增强环氧树脂与热塑性纤维增强尼龙66之间的连接,对透光GFREP/PA66CF30和PA66GF30/吸光GFREP两组进行激光透射连接实验,并通过在吸光GFREP表面进行激光织构处理来提高连接强度,对两组激光透射连接性能与连接机理以及工艺参数优化进行研究。本研究的主要内容与成果如下:(1)激光透射可行性连接研究:根据材料的光学属性与测试的激光透射率,将热固性玻纤增强环氧树脂(透光GFREP与吸光GFREP)与热塑性纤维增强尼龙66(PA66CF30与PA66GF30)分组进行可连接性实验研究。结果表明:透光GFREP/PA66CF30和PA66GF30/吸光GFREP能够形成较好连接,这证实了激光透射连接热固性-热塑性聚合物的可行性。(2)透光GFREP与PA66CF30的激光透射连接实验研究:使用纳秒脉冲激光器进行单因素实验研究表明:连接强度随激光功率、连接速度和离焦量的增大呈现先增大后减小的趋势。研究工艺参数对连接横截面形貌影响的规律时发现:熔化的PA66CF30流入GFREP表面粗糙度形成的微凹坑中,从而形成机械铆接;连接界面存在气泡,细小均匀气泡存在的接头连接强度更高,产生大气泡时会降低连接强度。接触角实验结果推断连接过程中形成了分子间范德华力。因此,机械铆接、细小均匀的气泡以及分子间范德华力是形成连接接头强度的主要机理。(3)PA66GF30与基于表面织构的吸光GFREP的激光透射连接实验研究:首先在吸光GFREP表面通过皮秒激光器进行微孔织构处理,改变孔间距和织构扫描次数,得到不同密度和深度的微孔造型。随后通过单因素实验研究了激光连接工艺参数(激光功率和连接速度)与表面织构处理工艺参数(孔间距和织构扫描次数)对连接强度的影响,结果表明:随着各织构参数和连接参数的增大,连接强度先增大后减小;研究工艺参数对连接横截面形貌影响的规律时发现:适当大小和数量的气泡能够有效增强连接强度,适当的孔深对机械铆接起增强效果;微孔织构形成的机械铆接是连接接头强度增强的主要因素。此外,接触角实验研究推断连接过程中形成了分子间范德华力,分子间范德华力是形成连接接头强度的又一因素。(4)激光透射连接工艺参数建模与优化研究:对透光GFREP与PA66CF30的激光透射连接使用响应面法建立工艺参数(激光功率、连接速度、离焦量)与连接强度的数学模型,对PA66GF30与吸光GFREP的激光透射连接使用响应面法建立工艺参数(激光功率、连接速度、孔间距、织构扫描次数)与连接强度及预处理时间的数学模型,验证所建模型的可靠性;随后分析各工艺参数对预处理时间和连接强度的交互式影响。使用Matlab编制粒子群优化算法在两种准则下对工艺参数进行单目标与多目标优化,得到各准则下对应的最佳参数组合。本文实现了热固性聚合物与热塑性聚合物之间的激光透射连接,扩大了激光透射连接材料的应用范围,为进一步工业应用激光连接热固性聚合物与热塑性聚合物奠定了理论与技术基础。
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