碳纖維復合材料(CFRP)具(ju)有高比(bi)強(qiang)度、高比(bi)模量、輕量化和抗疲勞等優異性(xing)能,在(zai)航空航天、汽車(che)、石油化工等工業領(ling)域有廣泛(fan)的應用前(qian)景。但由于在(zai)制造和(he)使用過(guo)程中復合材(cai)料表面易產生各(ge)種缺陷,會(hui)導致碳纖維和樹(shu)脂兩者間(jian)的應力轉移較差,大大影響復合(he)材料表面性能。因此,本文(wen)提出激(ji)光清洗與表面(mian)改性復(fu)合處理(li)的方(fang)(fang)法(fa)。利(li)用有限元(yuan)方(fang)(fang)法(fa)和熱傳導理(li)論研究激(ji)光清洗碳纖(xian)維復(fu)合材(cai)料的作用機制(zhi);采用激光誘導等離子體光譜技術(shu)對激光清洗過程進行在線檢(jian)測;研究激光作用參數對(dui)表面性能的影(ying)響,探究(jiu)表(biao)面性(xing)能的時效性(xing)規律;通過單搭接(jie)拉伸測試(shi)試(shi)驗分析激光(guang)清洗(xi)對膠接(jie)強度的影響,獲(huo)得激光清洗(xi)與表面改(gai)性復合(he)作用以(yi)提高界面結合(he)強(qiang)度的結果(guo)。具體如下:
(1) 建(jian)立納秒脈沖(chong)激(ji)光作用碳纖維復合材料的(de)熱傳導模型,揭(jie)示(shi)表面物(wu)質去除機制。采用有限(xian)元軟件(COMSOL)仿真,獲得納(na)秒脈沖(chong)激光(guang)清洗碳(tan)纖(xian)維復合材(cai)料(liao)的(de)溫度(du)變化(hua)規律,分析環氧樹脂和碳纖(xian)維(wei)的燒蝕(shi)機制,結(jie)果發現表面樹(shu)脂去除干凈的(de)激光功率為8W,為后面激(ji)光(guang)清(qing)洗實驗研(yan)究提供理論依據。
(2)提出激光誘(you)導等離子體光譜(LIBS)檢測方法,實(shi)現碳纖(xian)維復合材(cai)料激光清洗(xi)過程的在線檢測。搭建激光誘(you)導等離子體(ti)光譜實(shi)驗平臺,研究(jiu)激光能量、作用次數等參數對等離子體光譜特(te)性的影響,獲得激(ji)(ji)光清(qing)洗效(xiao)果(guo)與激(ji)(ji)光誘導等離子(zi)體譜(pu)線成分(fen)及強度的關系(xi),獲得表層樹(shu)脂清(qing)(qing)洗干凈(jing)的閾(yu)值。結果(guo)表明激(ji)光(guang)誘導等離子體在線檢測碳纖維復合材(cai)料的激(ji)光(guang)清(qing)(qing)洗效果(guo)是有效的,350nm~700nm波(bo)段的元(yuan)素譜(pu)線可用于碳纖維(wei)復合材料表(biao)面物質成分實時判斷,而且激光單(dan)次去除干凈表面(mian)樹脂(zhi)的閾值約為10.68mJ。這些結果為激(ji)光清洗碳纖維復合(he)材料的(de)智能集成(cheng)化應用提供工藝依據和技術支持。
(3)建(jian)立激光(guang)作用參(can)數與表面性能的關系(xi),獲得激光清洗最優參數和最佳膠接(jie)時刻。采用掃(sao)描電子顯微鏡觀察表面形(xing)貌,采用接(jie)觸(chu)角測量(liang)儀測量(liang)激光清洗參數(shu)對(dui)表面(mian)接(jie)觸(chu)角的影響(xiang),揭示表面(mian)狀態與表面(mian)浸潤性的關系,并獲得激光清洗表面的時效性規律;利用(yong)傅立葉紅外光(guang)譜測試技術獲取表面化學(xue)結構信(xin)息,研(yan)究激光清洗對表(biao)(biao)面化學(xue)活(huo)性的影響。結果表(biao)(biao)明表(biao)(biao)面處理狀態分為四個階段:表(biao)面(mian)樹脂(zhi)殘留階(jie)段、表(biao)面(mian)樹脂(zhi)清除干凈階(jie)段、頂層碳纖維斷裂階(jie)段和深(shen)層碳纖維受影響階(jie)段。性能(neng)分析表(biao)明(ming)激(ji)光功率(lv)16W預處理的表(biao)面為最佳(jia)表(biao)面狀(zhuang)態。
(4)獲(huo)得激光清洗表面狀態(tai)與膠接強度的(de)關(guan)系。通過(guo)單搭接拉(la)伸測試實驗,分析不同激(ji)光參數作用下的膠接力(li)學性(xing)能和(he)界面(mian)失(shi)效(xiao)模式。結(jie)果(guo)表明(ming):與未處理和(he)機(ji)械(xie)打磨表面相比,激(ji)光清洗技術(shu)提高了材料(liao)表面(mian)的膠接強度;激(ji)光(guang)清洗(xi)和表面(mian)改性復合處(chu)理表面(mian)的最(zui)大膠接強度比未處(chu)理表面(mian)提(ti)高了1.6倍,而且失效模式(shi)以內聚破(po)壞為主。
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