碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有高比強(qiáng)度、高比模量、輕量化和抗疲勞等優(yōu)異性能,在航空航天、汽車、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但由于在制造和使用過程中復(fù)合材料表面易產(chǎn)生各種缺陷,會(huì)導(dǎo)致碳纖維和樹脂兩者間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移較差,大大影響復(fù)合材料表面性能。因此,本文提出激光清洗與表面改性復(fù)合處理的方法。利用有限元方法和熱傳導(dǎo)理論研究激光清洗碳纖維復(fù)合材料的作用機(jī)制;采用激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)對激光清洗過程進(jìn)行在線檢測;研究激光作用參數(shù)對表面性能的影響,探究表面性能的時(shí)效性規(guī)律;通過單搭接拉伸測試試驗(yàn)分析激光清洗對膠接強(qiáng)度的影響,獲得激光清洗與表面改性復(fù)合作用以提高界面結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)果。具體如下:

(1) 建立納秒脈沖激光作用碳纖維復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)模型,揭示表面物質(zhì)去除機(jī)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(fù)合材料的溫度變化規(guī)律,分析環(huán)氧樹脂和碳纖維的燒蝕機(jī)制,結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面樹脂去除干凈的激光功率為8W,為后面激光清洗實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

(2)提出激光誘導(dǎo)等離子體光譜(LIBS)檢測方法,實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料激光清洗過程的在線檢測。搭建激光誘導(dǎo)等離子體光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究激光能量、作用次數(shù)等參數(shù)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(dǎo)等離子體譜線成分及強(qiáng)度的關(guān)系,獲得表層樹脂清洗干凈的閾值。結(jié)果表明激光誘導(dǎo)等離子體在線檢測碳纖維復(fù)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(fù)合材料表面物質(zhì)成分實(shí)時(shí)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(jié)果為激光清洗碳纖維復(fù)合材料的智能集成化應(yīng)用提供工藝依據(jù)和技術(shù)支持。

(3)建立激光作用參數(shù)與表面性能的關(guān)系,獲得激光清洗參數(shù)和膠接時(shí)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(shù)對表面接觸角的影響,揭示表面狀態(tài)與表面浸潤性的關(guān)系,并獲得激光清洗表面的時(shí)效性規(guī)律;利用傅立葉紅外光譜測試技術(shù)獲取表面化學(xué)結(jié)構(gòu)信息,研究激光清洗對表面化學(xué)活性的影響。結(jié)果表明表面處理狀態(tài)分為四個(gè)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(yù)處理的表面為表面狀態(tài)。

(4)獲得激光清洗表面狀態(tài)與膠接強(qiáng)度的關(guān)系。通過單搭接拉伸測試實(shí)驗(yàn),分析不同激光參數(shù)作用下的膠接力學(xué)性能和界面失效模式。結(jié)果表明:與未處理和機(jī)械打磨表面相比,激光清洗技術(shù)提高了材料表面的膠接強(qiáng)度;激光清洗和表面改性復(fù)合處理表面的膠接強(qiáng)度比未處理表面提高了1.6倍,而且失效模式以內(nèi)聚破壞為主。

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