激光处理对CFRP表面及其与铝胶接性能的研究

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CFRP以其独特的性能优势在汽车上应用不断增加,CFRP与其他材料的连接成为急需解决的问题。胶接由于不会对CFRP造成破坏,还能防止界面间的电化学腐蚀,成为较优的连接方式。但CFRP表面惰性高,不易与其他异质材料连接。采用有效的方式对CFRP表面进行处理,是实现CFRP胶接的突破口。激光处理重复性高,不对环境造成污染,成为热门的材料表面处理方法。本文对CFRP与铝合金进行单搭接接头方式胶接,研究胶接工艺参数以及采用光纤激光器对CFRP和铝表面处理工艺对胶接性能影响。通过不同老化环境下CFRP与铝胶接接头的强度变化,研究激光处理对CFRP与铝胶接接头的影响。  研究 HY-J661高强结构胶胶接工艺对 CFRP与铝的单搭接剪切强度的影响,研究发现:在胶接工艺为固化时间60℃(2 h)+常温固化(168 h),胶接厚度0.2 mm时胶接强度可以达到16 MPa。同时对CFRP制备的成型工艺进行研究,通过接触角测试和表面能计算可知,热压罐成型的CFRP表面自由能为46.8 mJ/m2要稍高于真空辅助成型(VARI)成型工艺44.6 mJ/m2,通过X射线光电子能谱分析可知VARI成型的CFRP表面氧含量为20.07%高于通过热压罐成型的氧含量CFRP18.9%。含氧官能团增加,有利于CFRP与胶黏剂的浸润,提高CFRP与铝的单搭接剪切强度。  采用激光对CFRP和Al表面进行处理,通过研究不同激光参数(包括激光脉宽、频率、激光光斑直径、激光扫描速度、激光辐射轨迹)处理CFRP和Al表面,通过接触角测试,扫描电子显微镜、光学轮廓仪、X射线光电子能谱分析等表征CFRP表面能、表面形貌、表面粗糙度、表面成分等变化分析发现:脉宽为1.0 ms时由于沟壑中树脂全部去除,CFRP与铝胶接性能最高为16.48 MPa。在10~60 Hz CFRP与铝胶接强度随着激光频率的增加而增加,60 Hz时CFRP碳纤维表层树脂基本去除,最高胶接强度为14.64 MPa。在不破坏碳纤维前提下烧蚀率越高,CFRP与铝胶接强度越高。采用不同光斑直径处理CFRP,Z轴为20 mm时胶接强度最大为15.46 MPa。激光扫描速率提高,CFRP与铝胶接强度提高,激光辐射轨迹的改变,对CFRP与铝胶接性能影响较小。激光处理铝,铝表面生成不同晶型的Al2O3,α-Al2O3的生成,可以有效提高Al与CFRP胶接性能,激光处理铝与CFRP胶接强度是未处理的1.93倍。  采用多变量参数处理CFRP,X射线光电子能谱分析表明激光处理可以有效去除CFRP表面含硅污染物,增加CFRP表面氧官能团含量。接触角分析测试表明激光处理可以提高CFRP表面自由能。表面含氧关能团,及CFRP表面能的增加,对与CFRP粘接都是有利,从而提高CFRP与铝胶接强度,在采用功率0.5 Kw,频率为100Hz,脉宽为0.4 ms,扫描速度为5 mm/min,Z轴距离为20 mm时,处理CFRP试样,其胶接强度为23.87 MPa是未处理试样的2.81倍,胶接强度提高显著。老化实验结果表明.激光处理 CFRP有利于 CFRP与铝胶接接头耐自然老化和湿热老化性能。
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