激光预处理复合材料表面形貌和胶接件剪切强度研究
发布时间：2021-08-17 16:57
本文采用纳秒紫外激光对树脂基碳纤维复合材料表面进行激光预处理,研究预处理参数对表面形貌和胶接件剪切强度的影响规律。利用电子显微镜、三维形貌分析仪以及表面接触角测量仪分别分析了激光预处理复合材料表面的显微形貌、粗糙度以及润湿特性,并测试了激光预处理后复合材料胶接件的剪切强度。结果表明:通过改变预处理参数（激光功率、扫描间距和扫描次数）,可以使复合材料表面呈现出不同的加工形貌,改变表面粗糙度和接触角,从而影响复合材料胶接件剪切强度。
【文章来源】：应用激光. 2020,40(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
激光加工复合材料表面示意图
针对以上三种激光预处理参数下的表面,利用三维形貌分析仪测量了各个表面的粗糙度。图3为不同工艺条件下激光预处理后复合材料表面的粗糙度变化规律图。图3(a)为不同激光功率下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当激光功率从0 W增加到1.5 W时,表面粗糙度从1.1 μm(激光未处理表面)增大到12.3 μm,继续增加激光功率到3 W时,表面粗糙度降低到9.5 μm。结合不同激光功率下的表面形貌特征(图2(a1)～(a3)),当表面为树脂材料为主的沟槽结构(第一类)时,沟槽深度随着激光功率的增加而增大,表面粗糙度逐渐增加。随着激光功率的增大,沟槽深度增大,沟槽底部碳纤维裸露,表面沟槽结构将从第一类过渡到第二类,表面粗糙度进一步增加。当表面为碳纤维为主的沟槽结构(第三类)时,随着激光功率的增加,沟槽之间树脂逐渐减少,表面粗糙度逐渐降低。图3(b)为不同扫描间距下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当扫描间距从50 μm增大到100 μm时,表面粗糙度从9.5 μm增大到11.7 μm,继续增大扫描间距到200 μm时,表面粗糙度逐渐降低到7.3 μm。结合表面形貌特征,在扫描间距为50 μm,表面全部为碳纤维结构(第三类),激光加工出的沟槽产生叠加,表面相对比较平整,粗糙度较低。随着扫描间距增大到100 μm,出现密集且具有碳纤维组织的沟槽结构(第二类),粗糙度最大。随着扫描间距的进一步增大,逐步过渡到树脂基沟槽结构为主(第一类),沟槽结构随间距的增大而逐渐变得稀疏,粗糙度反而逐渐减小。图3(c)为不同扫描次数下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当扫描次数从1次增加到3次时,表面粗糙度从5.7 μm增大到13.1 μm,继续增加扫描次数到5次时,表面粗糙度减小到9.5 μm,当扫描次数为7次时,表面粗糙度为12.1 μm。在扫描次数为1时,有少量碳纤维露出和轻微沟槽结构出现(第一类),与原始表面粗糙度相比有所增大。随着扫描次数增加到3次,表面显露出碳纤维的数量增加(第一类过渡到第二类),粗糙度进一步增大。扫描次数增大到5次,表面全部为碳纤维结构(第三类),沟槽结构不明显,表面较为平整,其粗糙度有所降低。当扫描次数为7时,在完全为碳纤维组织的表面上进一步加深碳纤维上的沟槽结构,粗糙度反而有所增大。2.3 激光预处理后复合材料表面的接触角
表1 不同激光预处理工艺条件下复合材料的剪切性能Tab.1 Shear properties of composites in differentlaser pretreatment processes 表面预处理工艺 形貌特征 剪切强度/MPa 破坏形式 ns-1 第一类 15.3 基体剪切破坏 ns-2 第二类 22.1 基体剪切破坏 ns-3 第三类 20.5 基体剪切破坏图6为复合材料胶接件剪切断口的典型显微组织形貌照片。其主要分为两个区域,A区域显示在复合材料胶接件试样内部部分碳纤维组织被破坏,如图6(a)所示。B区域显示在胶黏剂与复合材料的粘结处被破坏,如图6(b)所示。可见,在复合材料经激光表面预处理后,其表面由完全为树脂基体变为有一定的碳纤维显露出来的复杂表面,在粘结过程中胶接剂不仅与表层树脂粘结,还会对显露出的碳纤维进行粘结甚至包裹碳纤维组织,由于碳纤维强度远高于树脂基体,在承受剪切力时,不仅承受了胶接剂之间的抗力,还承受了碳纤维之间的抗力,故剪切断裂一部分为碳纤维组织被剪切破坏,另一部分为胶黏剂与复合材料的粘结处被剪切破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面激光清洗技术及其应用[J]. 成健,方世超,刘顿,郑重,汪于涛. 应用激光. 2018(06)
[2]脉冲激光清洗碳纤维增强树脂基复合材料表面研究[J]. 占小红,范喜祥,高川云,林玮. 航空制造技术. 2017(20)
[3]碳纤维/环氧树脂复合材料表面激光选择性消融预处理[J]. 李长青,许艺,任攀,周雷. 中国表面工程. 2016(01)
[4]胶接技术在工程中的应用[J]. 王舟. 机械工程与自动化. 2012(01)
[5]航空航天复合材料应用的最新进展(英文)[J]. 唐见茂,李建龙. 航天器环境工程. 2010(05)
[6]复合材料胶接技术的研究进展[J]. 乔海涛,邹贤武. 宇航材料工艺. 2010(02)
[7]复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析[J]. 沃西源,涂彬,夏英伟,房海军. 航天返回与遥感. 2008(01)
[8]胶接结构和复合材料用于航空航天技术的发展[J]. 李欣,张晓妮,徐晓沐. 化学与黏合. 2006(03)
硕士论文
[1]基于激光表面处理的民机复合材料结构胶结修理研究[D]. 李俊磊.中国民用航空飞行学院 2016
本文编号：3348143
【文章来源】：应用激光. 2020,40(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
激光加工复合材料表面示意图
针对以上三种激光预处理参数下的表面,利用三维形貌分析仪测量了各个表面的粗糙度。图3为不同工艺条件下激光预处理后复合材料表面的粗糙度变化规律图。图3(a)为不同激光功率下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当激光功率从0 W增加到1.5 W时,表面粗糙度从1.1 μm(激光未处理表面)增大到12.3 μm,继续增加激光功率到3 W时,表面粗糙度降低到9.5 μm。结合不同激光功率下的表面形貌特征(图2(a1)～(a3)),当表面为树脂材料为主的沟槽结构(第一类)时,沟槽深度随着激光功率的增加而增大,表面粗糙度逐渐增加。随着激光功率的增大,沟槽深度增大,沟槽底部碳纤维裸露,表面沟槽结构将从第一类过渡到第二类,表面粗糙度进一步增加。当表面为碳纤维为主的沟槽结构(第三类)时,随着激光功率的增加,沟槽之间树脂逐渐减少,表面粗糙度逐渐降低。图3(b)为不同扫描间距下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当扫描间距从50 μm增大到100 μm时,表面粗糙度从9.5 μm增大到11.7 μm,继续增大扫描间距到200 μm时,表面粗糙度逐渐降低到7.3 μm。结合表面形貌特征,在扫描间距为50 μm,表面全部为碳纤维结构(第三类),激光加工出的沟槽产生叠加,表面相对比较平整,粗糙度较低。随着扫描间距增大到100 μm,出现密集且具有碳纤维组织的沟槽结构(第二类),粗糙度最大。随着扫描间距的进一步增大,逐步过渡到树脂基沟槽结构为主(第一类),沟槽结构随间距的增大而逐渐变得稀疏,粗糙度反而逐渐减小。图3(c)为不同扫描次数下预处理后的粗糙度变化图,结果显示:当扫描次数从1次增加到3次时,表面粗糙度从5.7 μm增大到13.1 μm,继续增加扫描次数到5次时,表面粗糙度减小到9.5 μm,当扫描次数为7次时,表面粗糙度为12.1 μm。在扫描次数为1时,有少量碳纤维露出和轻微沟槽结构出现(第一类),与原始表面粗糙度相比有所增大。随着扫描次数增加到3次,表面显露出碳纤维的数量增加(第一类过渡到第二类),粗糙度进一步增大。扫描次数增大到5次,表面全部为碳纤维结构(第三类),沟槽结构不明显,表面较为平整,其粗糙度有所降低。当扫描次数为7时,在完全为碳纤维组织的表面上进一步加深碳纤维上的沟槽结构,粗糙度反而有所增大。2.3 激光预处理后复合材料表面的接触角
表1 不同激光预处理工艺条件下复合材料的剪切性能Tab.1 Shear properties of composites in differentlaser pretreatment processes 表面预处理工艺 形貌特征 剪切强度/MPa 破坏形式 ns-1 第一类 15.3 基体剪切破坏 ns-2 第二类 22.1 基体剪切破坏 ns-3 第三类 20.5 基体剪切破坏图6为复合材料胶接件剪切断口的典型显微组织形貌照片。其主要分为两个区域,A区域显示在复合材料胶接件试样内部部分碳纤维组织被破坏,如图6(a)所示。B区域显示在胶黏剂与复合材料的粘结处被破坏,如图6(b)所示。可见,在复合材料经激光表面预处理后,其表面由完全为树脂基体变为有一定的碳纤维显露出来的复杂表面,在粘结过程中胶接剂不仅与表层树脂粘结,还会对显露出的碳纤维进行粘结甚至包裹碳纤维组织,由于碳纤维强度远高于树脂基体,在承受剪切力时,不仅承受了胶接剂之间的抗力,还承受了碳纤维之间的抗力,故剪切断裂一部分为碳纤维组织被剪切破坏,另一部分为胶黏剂与复合材料的粘结处被剪切破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面激光清洗技术及其应用[J]. 成健,方世超,刘顿,郑重,汪于涛. 应用激光. 2018(06)
[2]脉冲激光清洗碳纤维增强树脂基复合材料表面研究[J]. 占小红,范喜祥,高川云,林玮. 航空制造技术. 2017(20)
[3]碳纤维/环氧树脂复合材料表面激光选择性消融预处理[J]. 李长青,许艺,任攀,周雷. 中国表面工程. 2016(01)
[4]胶接技术在工程中的应用[J]. 王舟. 机械工程与自动化. 2012(01)
[5]航空航天复合材料应用的最新进展(英文)[J]. 唐见茂,李建龙. 航天器环境工程. 2010(05)
[6]复合材料胶接技术的研究进展[J]. 乔海涛,邹贤武. 宇航材料工艺. 2010(02)
[7]复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析[J]. 沃西源,涂彬,夏英伟,房海军. 航天返回与遥感. 2008(01)
[8]胶接结构和复合材料用于航空航天技术的发展[J]. 李欣,张晓妮,徐晓沐. 化学与黏合. 2006(03)
硕士论文
[1]基于激光表面处理的民机复合材料结构胶结修理研究[D]. 李俊磊.中国民用航空飞行学院 2016
本文编号：3348143
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3348143.html
