热固性树脂基碳纤维增强复合材料胶接表面处理工艺及机理研究

发布时间：2020-11-09 07:33

　　 碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer,CFRP)是实现汽车工业轻量化、安全性、舒适度的最新材料,具有明显的性能优势。其连接技术的研究是最新的研究热点。CFRP的胶接性能受材料表面状态的影响极大,成为CFRP可靠应用得的关键。本文针对热压灌方式成型以脱模布(TMB)和脱模剂(TMJ)进行脱模的两种热固性CFRP进行研究。TMJ与TMB区别仅为TMJ表面残留有一层致密连接的脱模剂,但会严重影响各种表面处理的结果。通过对CFRP表面进行多种表面处理,探究不同表面处理方法对CFRP表面的物理化学性能影响,并且通过对两种CFRP与四种胶黏剂的胶接接头拉剪强度、断口形貌及载荷-位移曲线的分析,得出表面处理引起的表面物理化学变化如何影响胶接接头性能。并且对其影响机理进行合理的解释。本文还通过两种不同表面状态的CFRP、不同粘性、强度、种类的胶黏剂对比分析,尝试给出不同表面状态的CFRP、不同粘性、强度、种类的胶黏剂所最适合的表面处理工艺。本文研究了打磨、底涂处理等传统方法表面处理前后的胶接接头拉剪强度及断口形貌发现,相比TMB表面,残留脱模剂的TMJ表面与环氧胶的连接性能更佳,与聚氨酯胶的连接性能更差,一分钟的人工砂纸打磨不能完全清除表面脱模剂的残留,但却能提高TMJ与聚氨酯胶的连接性能。同时由于打磨提高的粗糙度明显的提高CFRP与环氧胶的胶接接头强度,断口甚至由界面破坏转变为基材破坏。而在本文处理条件下,底涂处理后强度与断口均没有明显提高。等离子处理同时会引起TMB表面的物理及化学变化,会在表面形成大量微米级沟壑,提高了接触面积,这对于粘度较低的环氧胶是非常有效的,但对于粘度非常大的聚氨酯胶效果不佳;而且由于引入含氧官能团,如羟基、环氧基,同时提高表面极性自由能,对于与表面反应性不佳的环氧胶效果非常明显,但对于与含氧基团无明显反应性的聚氨酯胶几乎无效果。等离子处理不能清除脱模剂,只能活化脱模剂,同时由于弱界层的产生,对TMJ胶接接头处理效果不佳。激光处理对于对粗糙度敏感的环氧胶,是非常有效的处理方式,强度大幅度提高的同时,断口也由界面破坏转变为基材破坏。同时对于表面脱模剂的清理是非常有效地,因此可以极大的提高TMJ与环氧胶的胶接强度;但是对于对粗糙度不敏感,与对被胶接表面质量要求不高的PU胶,反而会由于弱界层的存在,降低胶接强度。本文提出表面处理提高胶接强度机理为:胶层与界面的总连接强度等于单位面积的连接强度乘以连接面积,因此所有的处理方式都要通过改变这两点来改变总胶接接头强度。等离子处理提高活性官能团含量,可以提高单位面积上化合键的形成,因而提高了单位面积的连接强度;同时还能提高表面积,增加连接面积,从而提高总接头强度。激光处理、打磨处理通过产生沟槽,不仅增加了表面积,同时还产生了机械互锁结构,提高了单位面积的连接强度,从而提高总接头强度。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332;TB306;TG497
【部分图文】：

极佳的抗疲劳性能，优秀的耐热性、抗腐蚀与抗辐射性可设计性好[2]等；CFRP 可以同时满足汽车工业对于轻量等要求[5]，研究 CFRP 对于汽车工业的发展有着十分重P 常用连接方式热固性 CFRP 的特殊性，常用的热连接方式如焊接都不P，因此，常用的 CFRP 连接方式包括机械连接、胶接与混随着学者对新型连接工艺的探索，多种具有创新性的连道。连接连接，作为一种通过利用螺栓或者铆钉等紧固件将两个法，研究者们已经研究了将近 30 年。图 1-1 为机械连接栓连接方式[6, 7]。

（a）拉伸破坏 （b）剪切破坏 （c）挤压变形图 1-2 拉剪实验中机械连接的三种基材破坏的失效形式 Three kinds of failure modes of mechanical joints in the tensile连接接是一种通过使用胶粘剂的使用来将两个零件进行与被连接件界面之间产生机械结合、化学键合等方接。图 1-3 为典型的单搭接胶粘连接方式。图 1-3 单搭接胶粘连接Figure. 1-3 Single lap adhesive bonding对胶粘原理主要存在以下几种理论[9]：理论

1-2（b））以及挤压变形（如图 1-2（c））最后导（a）拉伸破坏 （b）剪切破坏 （c）挤压变形图 1-2 拉剪实验中机械连接的三种基材破坏的失效形式 Three kinds of failure modes of mechanical joints in the tensile 连接接是一种通过使用胶粘剂的使用来将两个零件进行与被连接件界面之间产生机械结合、化学键合等方接。图 1-3 为典型的单搭接胶粘连接方式。
【参考文献】

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本文编号：2876101