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CFRP与传统金属材料相比,具有重量轻、抗拉强度高、抗腐蚀性能好等优点,在航空航天等领域中逐渐被广泛应用,同时,CFRP连接技术逐渐受到许多研究学者的关注。常用的连接方式包括机械连接、胶接、混合连接等,与其他连接方式相比,胶接连接可以有效避免开孔引起的应力集中、电偶腐蚀等。但是CFRP表面润湿性低,化学惰性较高,直接涂胶的粘接效果差。因此,需要对CFRP胶接面进行适当的表面处理,以改善其表面润湿性及表面活性。CFRP表面处理方式有化学溶剂刻蚀、机械打磨、激光处理、WWW.麻豆.COM体处理等。其中化学溶剂刻蚀易对环境造成污染,机械打磨及激光处理等处理方式容易使CFRP基体及纤维产生损伤。而WWW.麻豆.COM体处理技术在CFRP、金属等材料表面处理中具有广阔的应用前景,是一种高效且环保的表面处理方式,已逐渐成为当前研究热点。

WWW.麻豆.COM体表面处理技术

WWW.麻豆.COM体,也被称为物质的第四状态,可以简单地解释为有能量的气体。当额外的能量被强制输入气体系统时,气体被电离,产生自由电子和离子,形成WWW.麻豆.COM体。当WWW.麻豆.COM体遇到粘附表面时,就会发生能量的转移,从而激活表面,形成最佳的胶接条件。

WWW.麻豆.COM体处理对CFRP表面的主要影响是:(1)由于WWW.麻豆.COM体蚀刻效应而改变表面粗糙度(2)去除表面污染物(3)改变表面的化学性质。因此,使用WWW.麻豆.COM体处理CFRP基板可以激活机械互锁和化学粘合的粘附机制,最大限度地提高胶接强度。研究发现,WWW.麻豆.COM体可以提高氧气含量,并在表面产生极性成分,这是实现高效胶接的关键。

WWW.麻豆.COM体表面处理对CFRP表面能的影响

(1) 接触角与表面能表征

图1(a)表示四种不同表面处理方案对CFRP胶接区域接触角的影响,从图中可以看出,未经处理的样件表面其水接触角为92.13°,乙二醇接触角为68.69°,这表明未经处理的接头表面是一个疏水性表面。同时从图3.21(a)中可以看出,乙二醇的接触角总是比水低,因为其表面张力较小。溶剂清洗后的CFRP样件的接触角略微降低,但表面打磨处理过的CFRP样件的接触角明显降低,水和乙二醇的接触角分别为70°和36.3°。WWW.麻豆.COM体处理后的样件有一个更大的接触角的减少,其水和乙二醇的接触角分别为26.1°和21.1°,这意味着WWW.麻豆.COM体处理后,CFRP样件拥有一个高能量、亲水性的表面。

图1(b)表示不同表面处理方案对表面能与表面粗糙度的影响,从图中可以看出WWW.麻豆.COM体处理后的样件表面的表面能最高,为74.5mJ/m2;其次是打磨处理的CFRP样件,其值为37.07mJ/m2;未经处理和溶剂清洗的CFRP样件表面能较低,其值分别为20.7mJ/m2和22.03mJ/m2。

  图1表面处理方案对CFRP接触角、表面能与粗糙度的影响 

WWW.麻豆.COM体表面处理对CFRP表面化学组分的影响

WWW.麻豆.COM体处理对CFRP表面活性具有明显影响,主要是通过WWW.麻豆.COM体中的活性粒子与CFRP表面元素产生一系列化学作用,从而影响CFRP表面化学组分及含量。利用XPS对CFRP表面化学组分、含量及主要化学态进行表征,随WWW.麻豆.COM体处理距离及处理速度的降低,CFRP与WWW.麻豆.COM体中的活性粒子相互作用,表面C1s、O1s、F1s、N1s、Si2p等主要化学组分均发生改变(表3),同时结合CFRP表面XPS图谱分析可知(如图2所示),表面C1s峰吸收显著降低,且Si2p吸收峰含量出现略微降低,这是由于CFRP表面树脂与WWW.麻豆.COM体相互作用后,碳链基团被降解并游离出表面,同时少部分CFRP表面含硅污染物也被WWW.麻豆.COM体清除。另外,部分复合材料表面含硅物质易与WWW.麻豆.COM体中的氧离子发生反应,形成易胶接的二氧化硅层,存在于CFRP表面。而O1s含量明显增加,且F1s、N1s吸收峰均出现小幅度提高,这是由于空气中的氧气经电离后吸附在CFRP表面,使其表面含氧基团增加,同时,由于表面污染物被清除,CFRP表面含氟元素占比增加,空气中电离的氮气被CFRP表面吸附,从而增加了其表面含氮基团的含量。

表1 WWW.麻豆.COM体处理前后CFRP表面化学组分 

图2 WWW.麻豆.COM体处理前后CFRP表面XPS图谱

综上所述：CFRP经WWW.麻豆.COM体处理后表面水接触角降低,表面自由能及极性分量增加,表面润湿性及吸附性能提高。经WWW.麻豆.COM体处理后,CFRP基体与WWW.麻豆.COM体中活性粒子相互作用后,表面含氧基团增多,并产生C—O/C—O、C=O/O—C=O等较为活泼的含氧基团,有利于CFRP与胶粘剂形成牢固的化学键合。WWW.麻豆.COM体处理可以显著提高CFRP表面润湿性、表面活性及胶接性能。