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激光清洗在復合材料中的應用

2020/10/23

     碳纖維復合材料(CFRP)具有高比強度、高比模量、輕量化和抗疲勞等優異性能,在航空航天、汽車、石油化工等工業領域有廣泛的應用前景。但由于在制造和使用過程中復合材料表面易產生各種缺陷,會導致碳纖維和樹脂兩者間的應力轉移較差,大大影響復合材料表面性能。因此,本文提出激光清洗與表面改性復合處理的方法。利用有限元方法和熱傳導理論研究激光清洗碳纖維復合材料的作用機制;采用激光誘導等離子體光譜技術對激光清洗過程進行在線檢測;研究激光作用參數對表面性能的影響,探究表面性能的時效性規律;通過單搭接拉伸測試試驗分析激光清洗對膠接強度的影響,獲得激光清洗與表面改性復合作用以提高界面結合強度的結果。具體如下:

(1)  建立納秒脈沖激光作用碳纖維復合材料的熱傳導模型,揭示表面物質去除機制。采用有限元軟件(COMSOL)仿真,獲得納秒脈沖激光清洗碳纖維復合材料的溫度變化規律,分析環氧樹脂和碳纖維的燒蝕機制,結果發現表面樹脂去除干凈的激光功率為8W,為后面激光清洗實驗研究提供理論依據。

(2)提出激光誘導等離子體光譜(LIBS)檢測方法,實現碳纖維復合材料激光清洗過程的在線檢測。搭建激光誘導等離子體光譜實驗平臺,研究激光能量、作用次數等參數對等離子體光譜特性的影響,獲得激光清洗效果與激光誘導等離子體譜線成分及強度的關系,獲得表層樹脂清洗干凈的閾值。結果表明激光誘導等離子體在線檢測碳纖維復合材料的激光清洗效果是有效的,350nm~700nm波段的元素譜線可用于碳纖維復合材料表面物質成分實時判斷,而且激光單次去除干凈表面樹脂的閾值約為10.68mJ。這些結果為激光清洗碳纖維復合材料的智能集成化應用提供工藝依據和技術支持。

(3)建立激光作用參數與表面性能的關系,獲得激光清洗最優參數和最佳膠接時刻。采用掃描電子顯微鏡觀察表面形貌,采用接觸角測量儀測量激光清洗參數對表面接觸角的影響,揭示表面狀態與表面浸潤性的關系,并獲得激光清洗表面的時效性規律;利用傅立葉紅外光譜測試技術獲取表面化學結構信息,研究激光清洗對表面化學活性的影響。結果表明表面處理狀態分為四個階段:表面樹脂殘留階段、表面樹脂清除干凈階段、頂層碳纖維斷裂階段和深層碳纖維受影響階段。性能分析表明激光功率16W預處理的表面為最佳表面狀態。

(4)獲得激光清洗表面狀態與膠接強度的關系。通過單搭接拉伸測試實驗,分析不同激光參數作用下的膠接力學性能和界面失效模式。結果表明:與未處理和機械打磨表面相比,激光清洗技術提高了材料表面的膠接強度;激光清洗和表面改性復合處理表面的最大膠接強度比未處理表面提高了1.6,而且失效模式以內聚破壞為主。


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