本文采用納秒紫外激光對樹脂基碳纖維復合材料表面進行激光預處理,研究預處理參數(shù)對表面形貌和膠接件剪切強度的影響規(guī)律。利用電子顯微鏡、三維形貌分析儀以及表面接觸角測量儀分別分析了激光預處理復合材料表面的顯微形貌、粗糙度以及潤濕特性,并測試了激光預處理后復合材料膠接件的剪切強度。結(jié)果表明:通過改變預處理參數(shù)（激光功率、掃描間距和掃描次數(shù)）,可以使復合材料表面呈現(xiàn)出不同的加工形貌,改變表面粗糙度和接觸角,從而影響復合材料膠接件剪切強度。 

【文章來源】：應用激光. 2020,40(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

激光加工復合材料表面示意圖

針對以上三種激光預處理參數(shù)下的表面,利用三維形貌分析儀測量了各個表面的粗糙度。圖3為不同工藝條件下激光預處理后復合材料表面的粗糙度變化規(guī)律圖。圖3(a)為不同激光功率下預處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當激光功率從0 W增加到1.5 W時,表面粗糙度從1.1 μm(激光未處理表面)增大到12.3 μm,繼續(xù)增加激光功率到3 W時,表面粗糙度降低到9.5 μm。結(jié)合不同激光功率下的表面形貌特征(圖2(a1)～(a3)),當表面為樹脂材料為主的溝槽結(jié)構(gòu)(第一類)時,溝槽深度隨著激光功率的增加而增大,表面粗糙度逐漸增加。隨著激光功率的增大,溝槽深度增大,溝槽底部碳纖維裸露,表面溝槽結(jié)構(gòu)將從第一類過渡到第二類,表面粗糙度進一步增加。當表面為碳纖維為主的溝槽結(jié)構(gòu)(第三類)時,隨著激光功率的增加,溝槽之間樹脂逐漸減少,表面粗糙度逐漸降低。圖3(b)為不同掃描間距下預處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當掃描間距從50 μm增大到100 μm時,表面粗糙度從9.5 μm增大到11.7 μm,繼續(xù)增大掃描間距到200 μm時,表面粗糙度逐漸降低到7.3 μm。結(jié)合表面形貌特征,在掃描間距為50 μm,表面全部為碳纖維結(jié)構(gòu)(第三類),激光加工出的溝槽產(chǎn)生疊加,表面相對比較平整,粗糙度較低。隨著掃描間距增大到100 μm,出現(xiàn)密集且具有碳纖維組織的溝槽結(jié)構(gòu)(第二類),粗糙度最大。隨著掃描間距的進一步增大,逐步過渡到樹脂基溝槽結(jié)構(gòu)為主(第一類),溝槽結(jié)構(gòu)隨間距的增大而逐漸變得稀疏,粗糙度反而逐漸減小。圖3(c)為不同掃描次數(shù)下預處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當掃描次數(shù)從1次增加到3次時,表面粗糙度從5.7 μm增大到13.1 μm,繼續(xù)增加掃描次數(shù)到5次時,表面粗糙度減小到9.5 μm,當掃描次數(shù)為7次時,表面粗糙度為12.1 μm。在掃描次數(shù)為1時,有少量碳纖維露出和輕微溝槽結(jié)構(gòu)出現(xiàn)(第一類),與原始表面粗糙度相比有所增大。隨著掃描次數(shù)增加到3次,表面顯露出碳纖維的數(shù)量增加(第一類過渡到第二類),粗糙度進一步增大。掃描次數(shù)增大到5次,表面全部為碳纖維結(jié)構(gòu)(第三類),溝槽結(jié)構(gòu)不明顯,表面較為平整,其粗糙度有所降低。當掃描次數(shù)為7時,在完全為碳纖維組織的表面上進一步加深碳纖維上的溝槽結(jié)構(gòu),粗糙度反而有所增大。2.3 激光預處理后復合材料表面的接觸角

表1 不同激光預處理工藝條件下復合材料的剪切性能Tab.1 Shear properties of composites in differentlaser pretreatment processes 表面預處理工藝 形貌特征 剪切強度/MPa 破壞形式 ns-1 第一類 15.3 基體剪切破壞 ns-2 第二類 22.1 基體剪切破壞 ns-3 第三類 20.5 基體剪切破壞圖6為復合材料膠接件剪切斷口的典型顯微組織形貌照片。其主要分為兩個區(qū)域,A區(qū)域顯示在復合材料膠接件試樣內(nèi)部部分碳纖維組織被破壞,如圖6(a)所示。B區(qū)域顯示在膠黏劑與復合材料的粘結(jié)處被破壞,如圖6(b)所示�？梢�,在復合材料經(jīng)激光表面預處理后,其表面由完全為樹脂基體變?yōu)橛幸欢ǖ奶祭w維顯露出來的復雜表面,在粘結(jié)過程中膠接劑不僅與表層樹脂粘結(jié),還會對顯露出的碳纖維進行粘結(jié)甚至包裹碳纖維組織,由于碳纖維強度遠高于樹脂基體,在承受剪切力時,不僅承受了膠接劑之間的抗力,還承受了碳纖維之間的抗力,故剪切斷裂一部分為碳纖維組織被剪切破壞,另一部分為膠黏劑與復合材料的粘結(jié)處被剪切破壞。

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碩士論文
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本文編號：3348143