碳纤维增强复合材料(CFRP)在航空航天领域的应用日益广泛,已成为飞机轻量化设计的重要材料之一。在民用飞机上,复合材料的连接方式有多种,如机械连接、粘接等。与传统机械连接方法相比,粘接连接具有结构质量轻、无应力集中等优点,在复合材料连接中的应用日趋广泛。目前,粘接结构的可靠性受限于其连接强度和韧性,常使用在次要承载部位,或以辅助的方式参与结构承载,如胶焊和胶铆等混合连接。因此提高粘接接头的强度与韧性,对粘接应用具有重要意义。粘接连接的黏结性能受表面状态影响较大,当界面黏结较为薄弱时,断裂破坏主要发生在材料与胶黏剂界面,因此,通常需要对材料表面进行适当处理,改善粘接性能。表面制备方法包括机械方法、化学方法和物理化学方法等。其中,机械方法操作误差大、表面改性反应缓慢,化学方法易对环境造成污染,物理化学方法主要包括激光处理和等离子体处理,激光处理是一种快速可控的技术,但过高的热量容易使纤维产生损伤。与其他处理方式相比,等离子体表面处理具有不损伤材料基体的前提下显著提高表面活性的优势,是一种高效、环保、低成本的处理方式,在复合材料、金属等材料表面改性及粘接表面预处理中具有广泛应用前景。
使用低温等离子清洗机对碳纤维增强复合材料胶接面进行预处理,对等离子体处理前后的CFRP表面润湿性、表面形貌、等表面特性进行分析判断等离子清洗机处理对碳纤维增强复合材料粘接性能的影响。
碳纤维增强复合材料等离子清洗后表面润湿性及表面能分析
由粘接界面理论可知,粘接界面强度随着表面水接触角的降低而明显提高,表面形貌、污染物残留以及表面化学组分的改变等因素均会影响材料表面润湿性能。图1为不同时间等离子体处理下CFRP表面水接触角和二碘甲烷接触角的测量结果。未经等离子体处理时,CFRP表面平均水接触角为97°左右,表面呈疏水性,润湿性较差,不利于CFRP与胶黏剂的界面黏结。经氧气等离子体表面处理后,随着处理时间的增加,CFRP表面水接触角逐渐减小,亲水性增加,表面润湿性能提高。
不同时间氧气等离子体处理下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触角碳纤维增强复合材料等离子清洗机处理前后表面形貌分析
图2是不同时间氧气等离子体处理下的SEM图。从图2(a)中可以看出,未处理的CFRP表面有轻微划痕并残留较多颗粒状附着物,这可能来自制造及运输过程中表面被污染,这些污染物的存在阻碍胶黏剂与被黏物的接触,不利于CFRP与胶黏剂的黏结。经氧气等离子体处理后的试样表面形貌发生明显变化(图7(b)~(d)),处理时间t=10s时,试样表面仅有少量杂质,表面清洁度增加(图7(b))。随着处理时间t增加至20s时,试样表面杂质得到有效清除,同时形成微小凹坑(图7(c)),这是由于等离子体处理CFRP表面时,激发的高能离子打断了表面残留物的分子链,使其电离和激发成更小的分子链,有效清除了表层结构中的水分、灰尘和油脂等,削弱了弱界面层的影响;同时,由于等离子体刻蚀作用,CFRP表面产生了较多微小凹坑,胶黏剂渗入表层凹坑后,增大了粘接接触面积,提高了机械黏结力。同时随着处理时间t延长至30s,高能粒子对CFRP表层树脂刻蚀加剧,导致表面的刻蚀凹坑逐渐扩大(图2(d)),这些大面积凹坑的存在会使基体表面与胶黏剂黏结过程中产生空隙及孔洞,不利于粘接强度进一步增加。
不同时间氧气等离子体处理下https://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.pngCFRPhttps://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.png表面https://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.pngSEMhttps://www.jinlaiplasma.com/asse/jinlai/chanpin/dengliziqingxiji00011.png图经过等离子清洗机清洗后碳纤维复合材料表面发生刻蚀,表面粗糙度和最大高度差降低,并产生较多谷峰分布的沟壑,有效提高了粘接表面积,使基体表面得到更充分的浸润。表面接触角从97°降至29°,表面极性分量及其所占比例的增加,有利于胶黏剂在表面接触角从97°降至29°,表面极性分量及其所占比例的增加,有利于胶黏剂在CFRP表面更好的润湿及吸附。24686