激光清洗在复合材料中的应用

碳纤维复合材料(CFRP)具有高比强度、高比模量、轻量化和抗疲劳等优异性能,在航空航天、汽车、石油化工等工业领域有广泛的应用前景。但由于在制造和使用过程中复合材料表面易产生各种缺陷,会导致碳纤维和树脂两者间的应力转移较差,大大影响复合材料表面性能。因此,本文提出激光清洗与表面改性复合处理的方法。利用有限元方法和热传导理论研究激光清洗碳纤维复合材料的作用机制;采用激光诱导等离子体光谱技术对激光清洗过程进行在线检测;研究激光作用参数对表面性能的影响,探究表面性能的时效性规律;通过单搭接拉伸测试试验分析激光清洗对胶接强度的影响,获得激光清洗与表面改性复合作用以提高界面结合强度的结果。具体如下:

(1) 建立纳秒脉冲激光作用碳纤维复合材料的热传导模型,揭示表面物质去除机制。采用有限元软件(COMSOL)仿真,获得纳秒脉冲激光清洗碳纤维复合材料的温度变化规律,分析环氧树脂和碳纤维的烧蚀机制,结果发现表面树脂去除干净的激光功率为8W,为后面激光清洗实验研究提供理论依据。

(2)提出激光诱导等离子体光谱(LIBS)检测方法,实现碳纤维复合材料激光清洗过程的在线检测。搭建激光诱导等离子体光谱实验平台,研究激光能量、作用次数等参数对等离子体光谱特性的影响,获得激光清洗效果与激光诱导等离子体谱线成分及强度的关系,获得表层树脂清洗干净的阈值。结果表明激光诱导等离子体在线检测碳纤维复合材料的激光清洗效果是有效的,350nm~700nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分实时判断,而且激光单次去除干净表面树脂的阈值约为10.68mJ。这些结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。

(3)建立激光作用参数与表面性能的关系,获得激光清洗参数和胶接时刻。采用扫描电子显微镜观察表面形貌,采用接触角测量仪测量激光清洗参数对表面接触角的影响,揭示表面状态与表面浸润性的关系,并获得激光清洗表面的时效性规律;利用傅立叶红外光谱测试技术获取表面化学结构信息,研究激光清洗对表面化学活性的影响。结果表明表面处理状态分为四个阶段:表面树脂残留阶段、表面树脂清除干净阶段、顶层碳纤维断裂阶段和深层碳纤维受影响阶段。性能分析表明激光功率16W预处理的表面为表面状态。

(4)获得激光清洗表面状态与胶接强度的关系。通过单搭接拉伸测试实验,分析不同激光参数作用下的胶接力学性能和界面失效模式。结果表明:与未处理和机械打磨表面相比,激光清洗技术提高了材料表面的胶接强度;激光清洗和表面改性复合处理表面的胶接强度比未处理表面提高了1.6倍,而且失效模式以内聚破坏为主。

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