RU2378117C1 - Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure - Google Patents
Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378117C1 RU2378117C1 RU2008117169/12A RU2008117169A RU2378117C1 RU 2378117 C1 RU2378117 C1 RU 2378117C1 RU 2008117169/12 A RU2008117169/12 A RU 2008117169/12A RU 2008117169 A RU2008117169 A RU 2008117169A RU 2378117 C1 RU2378117 C1 RU 2378117C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- plasma
- surface treatment
- predefined areas
- plasma beam
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к способу поверхностной обработки композиционных поверхностей пучками плазмы при атмосферном давлении, в частности, для того, чтобы облегчить их адгезионное связывание с другой поверхностью композиционного материала или с другой подложкой.The invention relates to a method for surface treatment of composite surfaces with plasma beams at atmospheric pressure, in particular in order to facilitate their adhesion bonding to another surface of the composite material or to another substrate.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время разработка способов создания адгезионных связей представляет собой область возрастающего интереса в авиационной промышленности, особенно в случае структур, изготовленных с использованием композиционных материалов углеродного волокна. Количество применений и структурное значение адгезионных связей с каждым годом постепенно возрастает, и в большинстве случаев прочность структур определяется прочностью их связей.Currently, the development of methods for creating adhesive bonds is an area of increasing interest in the aviation industry, especially in the case of structures made using carbon fiber composite materials. The number of applications and the structural value of adhesive bonds is gradually increasing every year, and in most cases, the strength of structures is determined by the strength of their bonds.
Адгезионные связи обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными механическими связями (клепанными или винтовыми): данные связи не требуют сверления структуры, они распределяют нагрузки на большую площадь, чем механические связи, вносят меньшую массу и обладают большей устойчивостью к усталости.Adhesive bonds have many advantages over traditional mechanical bonds (riveted or screw): these bonds do not require drilling of the structure, they distribute loads over a larger area than mechanical bonds, bring less weight and are more resistant to fatigue.
Результат, получаемый при осуществлении адгезионной связи, определяется типом взаимодействия между контактирующими фазами. Указанное взаимодействие реализуется посредством нескольких механизмов адгезии: образование химической связи на границе раздела, механическая сшивка, электростатическая адгезия, макромолекулярная диффузия и адсорбция или смачивание.The result obtained by adhesive bonding is determined by the type of interaction between the contacting phases. The indicated interaction is realized through several adhesion mechanisms: the formation of a chemical bond at the interface, mechanical crosslinking, electrostatic adhesion, macromolecular diffusion, and adsorption or wetting.
При проведении механических испытаний на адгезионных связях получают энергии связей, в несколько раз большие, чем теоретические энергии связей, получаемые расчетными методами. Это происходит вследствие того факта, что механическое напряжение, приложенное к адгезионной связи, вызывает существенную локальную деформацию фаз, и в случае, когда материалы представляют собой рассеивающие энергию материалы, имеет место значительный расход энергии в областях, близких к дефекту вследствие вязкоупругих или пластических деформаций. Данный синергизм между энергией, требуемой для разрыва межповерхностных связей, и энергией, требуемой для деформации твердых тел, увеличивает прочность адгезионной связи.During mechanical tests on adhesive bonds, bond energies are obtained that are several times higher than the theoretical bond energies obtained by calculation methods. This is due to the fact that the mechanical stress applied to the adhesive bond causes a significant local deformation of the phases, and in the case when the materials are energy-scattering materials, there is a significant energy expenditure in areas close to the defect due to viscoelastic or plastic deformation. This synergy between the energy required to break the interfacial bonds and the energy required for the deformation of solids increases the strength of the adhesive bond.
Однако все преимущества, которыми обладают адгезионные связи, обусловлены рядом факторов, влияющих на их эффективность: обработка поверхности перед связыванием подложек, температурный режим образования связи, остаточные термические напряжения, которые возникают вследствие различий в коэффициентах теплового расширения адгезива и сцепляемых подложек, и геометрия связи. Аналогично, необходимо принять во внимание, что долговечность межповерхностной адгезии структуры с адгезионной связью, подвергаемой воздействию внешних агентов, представляет собой важнейший параметр вследствие воздействий, обусловленных высокой влажностью, флуктуациями температуры и действием ультрафиолетового излучения.However, all the advantages possessed by adhesive bonds are due to a number of factors affecting their effectiveness: surface treatment before bonding the substrates, the temperature regime of bond formation, residual thermal stresses that arise due to differences in the thermal expansion coefficients of adhesive and bonded substrates, and bond geometry. Similarly, it is necessary to take into account that the durability of the inter-surface adhesion of a structure with an adhesive bond exposed to external agents is an important parameter due to the effects caused by high humidity, temperature fluctuations and ultraviolet radiation.
Если конструктивное исполнение адгезионной связи оптимизировано, то, принимая во внимание геометрические и термические факторы, подготовка поверхности подложек перед их связыванием представляет собой, возможно, основной и определяющий фактор окончательной эффективности и долговечности связи.If the design of the adhesive bond is optimized, then, taking into account geometric and thermal factors, the preparation of the surface of the substrates before binding is probably the main and determining factor in the final effectiveness and durability of the bond.
Полимерные поверхности обычно с трудом смачиваются и сцепляются вследствие того факта, что они обладают низкими уровнями поверхностной энергии, могут быть несовместимы с адгезивами или даже химически инертны, или же попросту покрыты слабыми граничными слоями или загрязнениями.Polymer surfaces are usually difficult to wet and adhere due to the fact that they have low levels of surface energy, may be incompatible with adhesives or even chemically inert, or simply covered with weak boundary layers or contaminants.
Количество факторов, оказывающих влияние на конечную эффективность адгезионных связей между полимерными материалами, весьма затрудняет нахождение систем, гарантирующих их качество. Вовлечение такого большого числа параметров в явление адгезии в некоторых случаях затрудняет достижение стабильности и воспроизводимости результата, полученного при создании адгезионной связи. Поэтому во многих случаях контроль связанных соединений требует сложных и дорогостоящих испытаний, которые используют для того, чтобы удостовериться в конечном качестве. Создание надежного и повторяемого способа связывания позволяет уменьшить количество данных испытаний или исключить их вовсе, гарантируя конечное качество при существенном уменьшении издержек производства.The number of factors affecting the final effectiveness of adhesive bonds between polymer materials makes it very difficult to find systems that guarantee their quality. The involvement of such a large number of parameters in the adhesion phenomenon in some cases makes it difficult to achieve stability and reproducibility of the result obtained when creating the adhesive bond. Therefore, in many cases, the control of bonded compounds requires complex and costly tests that are used to verify the final quality. Creating a reliable and repeatable method of binding allows you to reduce the amount of test data or eliminate them altogether, guaranteeing final quality with a significant reduction in production costs.
Подготовка поверхности подложек представляет собой одну из фаз способа связывания, которая определяет в значительной степени конечный результат, получаемый за счет связи, и, следовательно, оптимизация данной фазы обусловливает гарантию получаемого качества. Поэтому ранее были разработаны различные варианты обработки поверхности, чтобы улучшить сцепление полимерных подложек. Все данные варианты обработки имеют целью улучшение конечной эффективности адгезионной связи и способность гарантировать постоянство получаемых результатов. Среди разработанных вариантов обработки наиболее распространенными являются варианты, связанные с использованием окисляющих химических агентов, с использованием различных физико-химических способов и, наконец, с введением функциональных групп на поверхность подложек.The preparation of the surface of the substrates is one of the phases of the bonding method, which determines to a large extent the final result obtained by bonding, and, therefore, the optimization of this phase determines the quality obtained. Therefore, various surface treatment options have been previously developed to improve the adhesion of polymer substrates. All these processing options are aimed at improving the final effectiveness of the adhesive bond and the ability to guarantee the constancy of the results. Among the developed processing options, the most common are those associated with the use of oxidizing chemical agents, using various physicochemical methods and, finally, with the introduction of functional groups on the surface of substrates.
Все данные варианты обработки широко распространены в многочисленных областях промышленного применения, однако многие из них обладают определенными недостатками:All of these processing options are widespread in numerous areas of industrial application, but many of them have certain disadvantages:
- Химические способы: применение органических растворителей, таких как метилэтилкетон (МЕК), изопропиловый спирт (IPA), ацетон или толуол, в способах очистки и подготовки поверхности создает риски воспламенения, а также связанные с безопасностью и гигиенические проблемы для операторов.- Chemical methods: the use of organic solvents, such as methyl ethyl ketone (MEK), isopropyl alcohol (IPA), acetone or toluene, in cleaning and surface preparation methods creates ignition risks, as well as safety and hygiene problems for operators.
- Физические способы: механическим абразионным системам (шлифование, пескоструйная обработка и так далее) должны предшествовать обработка по очистке и обезжириванию. При данных способах получаются отходы, которые впоследствии должны быть удалены, чтобы они не загрязняли поверхность, подлежащую связыванию. Более того, в случае, когда абразивная обработка проведена с избытком, топография обработанной поверхности может быть серьезно нарушена, что уменьшает поверхность контакта, отрицательно воздействуя на механическую сшивку и, короче говоря, ослабляя адгезионную связь.- Physical methods: mechanical abrasion systems (grinding, sandblasting and so on) should be preceded by cleaning and degreasing. With these methods, waste is obtained, which must subsequently be removed so that they do not contaminate the surface to be bonded. Moreover, in the case when the abrasive treatment is carried out in excess, the topography of the treated surface can be seriously compromised, which reduces the contact surface, adversely affecting mechanical cross-linking and, in short, weakening the adhesive bond.
- Физико-химические способы: физико-химические варианты обработки (пламя, бомбировка, окисляющие химикаты и так далее) значительно увеличивают смачиваемость и адгезию полимерных подложек вследствие того факта, что они вводят содержащие кислород группы (карбонил, гидроксил и карбоксил) на обработанные полимерные поверхности. Все данные способы широко распространены в области переработки полимеров, однако их основной недостаток заключается в том, что обработанные поверхности обладают недостаточной стабильностью. Улучшение адгезионных характеристик, полученное посредством данных вариантов обработки, с течением времени постепенно ослабляется так, что окончательные свойства адгезионной связи будут зависеть от деструкции предварительно обработанных подложек. Данная деструкция главным образом имеет две причины: переориентация и миграция содержащих кислород функциональных групп в направлении внутренней области полимера при его хранении и частичная потеря частиц малой молекулярной массы. Другой недостаток данного типа обработок заключается в том, что они вызывают процессы молекулярного распада. Расщепление приводит к поверхностным частицам малой молекулярной массы, создавая новые границы раздела, которые могут быть весьма чувствительны к условиям окружающей среды, и их деструкция может оказывать неблагоприятное воздействие, вызывая как ухудшение свойств адгезионной связи, так и уменьшение ее долгосрочной износоустойчивости.- Physicochemical methods: physicochemical treatment options (flame, bombing, oxidizing chemicals, etc.) significantly increase the wettability and adhesion of polymer substrates due to the fact that they introduce oxygen-containing groups (carbonyl, hydroxyl and carboxyl) onto the treated polymer surfaces . All these methods are widespread in the field of polymer processing, however, their main disadvantage is that the treated surfaces have insufficient stability. The improvement in adhesion characteristics obtained through these processing options is gradually weakened over time so that the final adhesive bond properties will depend on the degradation of the pre-treated substrates. This destruction mainly has two reasons: the reorientation and migration of oxygen-containing functional groups towards the inner region of the polymer during storage and the partial loss of particles of low molecular weight. Another disadvantage of this type of treatments is that they cause molecular decay processes. The splitting leads to surface particles of small molecular weight, creating new interfaces that can be very sensitive to environmental conditions, and their destruction can have an adverse effect, causing both a deterioration in the adhesion bond properties and a decrease in its long-term wear resistance.
Для преодоления недостатков, обусловленных деструкцией и потерей свойств всех данных вариантов поверхностной обработки, известны способы улучшения адгезии полимерных подложек с помощью систем, которые применяют в двух фазах:To overcome the disadvantages caused by the destruction and loss of properties of all these surface treatment options, methods are known for improving the adhesion of polymer substrates using systems that are used in two phases:
1. Активация поверхности с помощью физических или физико-химических способов.1. Surface activation using physical or physico-chemical methods.
2. Нанесение химического соединения, взаимодействующего с поверхностными частицами, способствующего активации и действующего как промотор адгезии.2. Application of a chemical compound that interacts with surface particles, promotes activation and acts as an adhesion promoter.
Основные недостатки всех данных способов представляют собой усложнение, обусловленное добавлением стадий к способу обработки и специфичностью химиката, использованного в качестве промотора адгезии, который должен подходить для каждого субстрата, обладающего своей химической природой.The main disadvantages of all these methods are the complication caused by the addition of stages to the processing method and the specificity of the chemical used as an adhesion promoter, which should be suitable for each substrate with its own chemical nature.
Поверхностные обработки с помощью лазера требуют дорогостоящего и сложного оборудования, и их эффективность понижается вследствие малой площади, которую способны покрывать лазерные лучи, и проблем, обусловленных термическим разложением обработанных поверхностей.Laser surface treatments require expensive and complex equipment, and their effectiveness is reduced due to the small area that laser beams can cover and the problems caused by thermal decomposition of the treated surfaces.
Обработки с помощью ультрафиолетового облучения представляют собой интересную альтернативу обработки полимерной поверхности. УФ излучение может быть применено независимо или вместе с кислородом или озоном. Основной недостаток данного типа обработок заключается в том, что они требуют предварительной очистки органическими растворителями, что приводит к увеличению стоимости обработки и вызывает связанные с безопасностью и гигиенические проблемы.UV treatments are an interesting alternative to polymer surface treatments. UV radiation can be applied independently or together with oxygen or ozone. The main disadvantage of this type of treatment is that it requires pre-treatment with organic solvents, which leads to an increase in the cost of treatment and causes safety and hygiene problems.
Обработки с помощью плазмы существенно улучшают адгезию полимерных подложек, позволяя достичь желаемых уровней активации поверхности и смачиваемости. При использовании данного типа обработок получают адгезионные связи с прочностью, в четыре раза большей, чем прочность, достигаемая с подложками, обработанными абразивными способами.Processing with plasma significantly improves the adhesion of the polymer substrates, allowing you to achieve the desired levels of surface activation and wettability. Using this type of treatment, adhesive bonds are obtained with a strength four times greater than the strength achieved with substrates treated with abrasive methods.
Увеличение уровней поверхностной энергии и смачиваемости может быть достигнуто с помощью применения плазменных систем в сочетании с добавлением газа, смеси газов или мономера, селективно включающих различные типы химических частиц в полимерную поверхность в контролируемых технологических условиях.An increase in surface energy and wettability levels can be achieved by using plasma systems in combination with the addition of a gas, gas mixture, or monomer, selectively incorporating various types of chemical particles into the polymer surface under controlled process conditions.
Традиционные плазменные системы обладают большим недостатком, который заключается в том, что плазму генерируют при низком давлении так, что геометрические параметры элементов, подлежащие обработке, ограничены размером герметизированной камеры. Появление оборудования, способного генерировать плазму при атмосферном давлении, устраняет недостатки, связанные с геометрическими параметрами, и значительно расширяет область применения данного типа обработок, позволяя проводить их автоматизацию и установку в системе массового производства. Данная система проста, не требует вспомогательных операций, активирует обработанные поверхности, удаляя в то же время загрязнения, и ее эффективность заметно не уменьшается на протяжении разумных сроков хранения.Conventional plasma systems have a major disadvantage in that plasma is generated at low pressure so that the geometric parameters of the elements to be processed are limited by the size of the sealed chamber. The appearance of equipment capable of generating plasma at atmospheric pressure eliminates the disadvantages associated with geometric parameters and significantly expands the scope of this type of processing, allowing automation and installation in a mass production system. This system is simple, does not require auxiliary operations, activates the treated surfaces, while removing contaminants, and its effectiveness does not noticeably decrease over a reasonable storage period.
В числе известного уровня техники, относящегося к плазме при атмосферном давлении, которая описана в нижеследующих патентах, необходимо упомянуть:Among the prior art relating to atmospheric pressure plasma, which is described in the following patents, it is necessary to mention:
- Патент США номер 5,185,132, "Atmospheric plasma reaction and apparatus therefor". В данном патенте описан способ генерации плазмы при атмосферном давлении путем введения газа или смеси благородного газа и активного газа в сосуд, в котором они реагируют под действием электродов, покрытых диэлектрическим материалом. Также раскрыты конфигурация и режим эксплуатации генератора плазмы при атмосферном давлении.- US Patent No. 5,185,132, "Atmospheric plasma reaction and apparatus therefor." This patent describes a method for generating plasma at atmospheric pressure by introducing a gas or a mixture of a noble gas and active gas into a vessel in which they react under the action of electrodes coated with a dielectric material. Also disclosed are the configuration and mode of operation of the plasma generator at atmospheric pressure.
- Патент США номер 5928527, "Surface modification using atmospheric pressure glow discharge plasma source". В данном патенте описан способ модификации поверхности с использованием плазмы при атмосферном давлении, генерированной радиочастотным сигналом. Указанная плазма генерирована из кислорода или из смеси кислорода и инертного газа при температуре ниже 100°С. В данном патенте без детализации и без конкретного определения параметров и условий использования перечислены применения данного способа модификации поверхности, который затрагивает разнообразные материалы (полупроводники, полимеры, композиционные материалы и так далее), и применения в промышленности (очистка от органических загрязнителей, удаление лакокрасочного покрытия, локальное воздействие при производстве и сборке компонентов в микроэлектронике, при стерилизации хирургического оборудования, для модификации композиционных материалов перед их адгезионным связыванием и так далее).- US Patent No. 5928527, "Surface modification using atmospheric pressure glow discharge plasma source". This patent describes a method of surface modification using plasma at atmospheric pressure generated by a radio frequency signal. The specified plasma is generated from oxygen or from a mixture of oxygen and an inert gas at a temperature below 100 ° C. This patent without details and without a specific definition of parameters and conditions of use lists the application of this method of surface modification, which affects a variety of materials (semiconductors, polymers, composite materials and so on), and industrial applications (cleaning from organic pollutants, removing paintwork, local impact during the production and assembly of components in microelectronics, during sterilization of surgical equipment, for modification of composite materials materials before their adhesion bonding and so on).
Патент Японии JP 2005005579, "Atmospheric plasma processing apparatus for stable transportation of works and prevention of electromagnetic wave leakage". В данном патенте описано оборудование для непрерывной обработки плазмой при атмосферном давлении, а также соответствующие способы электромагнитной защиты для предотвращения ее утечки.Japanese Patent JP 2005005579, "Atmospheric plasma processing apparatus for stable transportation of works and prevention of electromagnetic wave leakage". This patent describes equipment for continuous plasma processing at atmospheric pressure, as well as appropriate methods of electromagnetic protection to prevent leakage.
Различные непосредственные применения плазмы при атмосферном давлении как способа активации поверхности перед нанесением химического продукта, действующего как промотор адгезии, также известны, например, такие как описанные в нижеследующих патентах:Various direct uses of plasma at atmospheric pressure as a way to activate the surface before applying a chemical product that acts as an adhesion promoter are also known, for example, such as those described in the following patents:
- Патент США 6800331. "Preparation of functional polymeric surface".- US patent 6800331. "Preparation of functional polymeric surface".
- WO 0216051. "Surface cleaning and modification processes, methods and apparatus using physicochemically modified dense fluid sprays".- WO 0216051. "Surface cleaning and modification processes, methods and apparatus using physicochemically modified dense fluid sprays."
- Патент США 5425832. "Process for a surface treatment of a glass fabric".- US patent 5425832. "Process for a surface treatment of a glass fabric".
Другие документы, известные из уровня техники, приведены ниже:Other documents known in the art are listed below:
- Патент США US-A-6013153. "Process for surface treatment of vulcanized rubber and process for production of rubber-based composite material". В данном документе раскрыт способ поверхностной обработки вулканизированной резины с помощью плазмы при атмосферном давлении в целях связывания.- US patent US-A-6013153. "Process for surface treatment of vulcanized rubber and process for production of rubber-based composite material." A method for surface treatment of vulcanized rubber with plasma at atmospheric pressure for bonding is disclosed herein.
- Патент США 2001 000897 A1. "Surface modification using an atmospheric pressure glow discharge plasma source". В данном документе раскрыт способ получения разрядных плазм при атмосферном давлении и применение указанных плазм для модифицирования поверхностного слоя материалов.- U.S. Patent 2001 000897 A1. "Surface modification using an atmospheric pressure glow discharge plasma source". This document discloses a method for producing discharge plasmas at atmospheric pressure and the use of these plasmas for modifying the surface layer of materials.
- Патент США 2005 181203 A1. "Appliqué". В данном документе раскрыты аппликационное покрытие для подложки и способ защиты подложки от повреждения электрической энергией.- US Patent 2005 181203 A1. "Appliqué". An application coating for a substrate and a method for protecting a substrate from damage by electrical energy are disclosed herein.
В настоящее время в авиационной промышленности наблюдается явная тенденция к включению первичных структур, произведенных с использованием композиционных материалов. Композиционные материалы, преимущественно используемые при производстве авиационных структур, изготовлены из полимерной матрицы, армированной волокнами (углеродными, стеклянными, арамидными). Структуры, произведенные с использованием данного типа материалов, существенно уменьшают массу самолета и, следовательно, расход топлива. В общем, они представляют собой структуры, в которых основной элемент в форме твердого слоистого материала армирован поверхностно агентами повышения жесткости. В большинстве случаев указанные агенты повышения жесткости соединены со слоистым материалом адгезионными связями. Учитывая огромное структурное значение данных связей, их предварительная подготовка становится особенно важной.Currently, in the aviation industry there is a clear tendency to include primary structures produced using composite materials. Composite materials, mainly used in the manufacture of aviation structures, are made of a polymer matrix reinforced with fibers (carbon, glass, aramid). Structures produced using this type of material significantly reduce aircraft weight and, consequently, fuel consumption. In general, they are structures in which the main element in the form of a solid layered material is reinforced surface with stiffening agents. In most cases, these stiffening agents are bonded to the laminate by adhesive bonds. Given the enormous structural significance of these relationships, their preliminary preparation becomes especially important.
В данной промышленности гарантия качества становится особенно важной по очевидным соображениям безопасности. Поэтому ведется поиск способов, применение которых дает удовлетворительные и повторяемые результаты и обеспечивает окончательный результат в виде произведенных компонентов. Надежность и воспроизводимость поверхностной обработки определяют конечные свойства связанной структуры.In this industry, quality assurance is becoming especially important for obvious safety reasons. Therefore, a search is underway for methods whose application gives satisfactory and repeatable results and provides the final result in the form of produced components. Reliability and reproducibility of surface treatment determine the final properties of the associated structure.
В области авиационной промышленности подготовку поверхности перед адгезионным связыванием компонентов, произведенных с использованием композиционных материалов на основе полимерной матрицы, традиционно проводят, используя две системы:In the field of the aviation industry, surface preparation before adhesion bonding of components produced using composite materials based on a polymer matrix is traditionally carried out using two systems:
1. Механическая абразивная обработка (шлифование)+очистка органическими растворителями (МЕК или IPA). Основной недостаток данного способа заключается в том, что его обычно проводят вручную, что обусловливает его ограниченную воспроизводимость и высокую зависимость от условий обработки, которыми располагает оператор.1. Mechanical abrasive treatment (grinding) + cleaning with organic solvents (MEK or IPA). The main disadvantage of this method is that it is usually carried out manually, which leads to its limited reproducibility and high dependence on the processing conditions that the operator has.
2. Применение легкоотслаивающихся материалов + очистка органическими растворителями. Легкоотслаивающиеся материалы представляют собой полимерные волокна (сложные полиэфиры, полиамиды и так далее), которые помещены на полимерную поверхность, подлежащую обработке, защищая ее от загрязнения и улучшая ее фактуру. Перед проведением адгезионного связывания материал удаляют, отделяя его от поверхности, на которой он расположен, и очищая последнюю органическими растворителями. Структура материала формирует необходимые микрошероховатости, играющие роль подготовки поверхности перед адгезионным связыванием. Основной недостаток данного способа заключается в огромном количестве параметров, вовлеченных в процесс, которые могут влиять на эффективность адгезионной связи, полученной данным способом. Данное большое число факторов, которые могут изменять эффективность способа, приводит к необходимости постоянного контроля качества.2. The use of easily peeling materials + cleaning with organic solvents. Easily peeling materials are polymer fibers (polyesters, polyamides, etc.) that are placed on the polymer surface to be treated, protecting it from contamination and improving its texture. Before adhesive bonding, the material is removed, separating it from the surface on which it is located, and cleaning the latter with organic solvents. The structure of the material forms the necessary micro-roughness, playing the role of surface preparation before adhesive bonding. The main disadvantage of this method is the huge number of parameters involved in the process, which can affect the effectiveness of the adhesive bond obtained by this method. This large number of factors that can change the effectiveness of the method, leads to the need for constant quality control.
Поскольку способы, традиционно используемые для подготовки поверхности перед адгезионным связыванием деталей, произведенных с использованием композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными волокнами, обладают определенными недостатками, необходимо указать надежный, дешевый, непрерывный и воспроизводимый способ, который может заменить вышеупомянутые способы.Since the methods traditionally used to prepare the surface before adhesive bonding of parts manufactured using composite materials based on a polymer matrix reinforced with continuous fibers have certain disadvantages, it is necessary to indicate a reliable, cheap, continuous and reproducible method that can replace the above methods.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение предлагает способ поверхностной обработки структуры композиционного материала плазменным пучком при атмосферном давлении, произведенным генератором плазмы, снабженным эмиссионной форсункой, для того, чтобы облегчить адгезионное связывание структуры с другой структурой композиционного материала, который отличается тем, что:The present invention provides a method for surface treatment of a composite material structure with a plasma beam at atmospheric pressure produced by a plasma generator equipped with an emission nozzle in order to facilitate adhesive bonding of the structure to another structure of the composite material, which is characterized in that:
a) плазменный пучок, испущенный через форсунку, может включать активный газ, и является спроецированным на структуру композиционного материала с расстояния в диапазоне от 0,2 до 10 см;a) the plasma beam emitted through the nozzle may include an active gas, and is projected onto the structure of the composite material from a distance in the range of 0.2 to 10 cm;
b) плазменный пучок спроецирован на структуру композиционного материала под углом падения в диапазоне от 75° до 105°.b) the plasma beam is projected onto the structure of the composite material at an angle of incidence in the range of 75 ° to 105 °.
Применение способа-объекта настоящего изобретения показало свою эффективность при активации полимерных подложек за счет увеличения их поверхностной энергии и смачиваемости. Указанная активация поверхности очень важна, когда дело касается улучшения механических свойств адгезионных связей между деталями, произведенными с использованием композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной углеродным волокном. В настоящее время большое число авиационных структур изготавливают посредством адгезионного связывания компонентов, произведенных из композиционных материалов данных характеристик, поэтому применение способа-объекта настоящего изобретения улучшает общие эксплуатационные характеристики данных структур.The use of the method-object of the present invention has shown its effectiveness in the activation of polymer substrates by increasing their surface energy and wettability. Said surface activation is very important when it comes to improving the mechanical properties of adhesive bonds between parts made using composite materials based on a carbon fiber reinforced polymer matrix. Currently, a large number of aviation structures are manufactured by adhesive bonding of components made from composite materials of these characteristics, therefore, the application of the method-object of the present invention improves the overall operational characteristics of these structures.
При этом скорость обработки в заявленном способе находится в диапазоне от 0,8 до 2 м/мин.Moreover, the processing speed in the claimed method is in the range from 0.8 to 2 m / min.
Кроме того, в заявленном способе плазменный пучок спроецирован на неподвижную структуру композиционного материала с помощью подвижного генератора плазмы.In addition, in the claimed method, the plasma beam is projected onto the fixed structure of the composite material using a movable plasma generator.
Согласно изобретению в заявленном способе используются автоматические средства для контроля относительных смещений между генератором плазмы и структурой композиционного материала и угол падения между плазменным пучком и структурой композиционного материала в разных частях структуры.According to the invention, the claimed method uses automatic means for monitoring the relative displacements between the plasma generator and the structure of the composite material and the angle of incidence between the plasma beam and the structure of the composite material in different parts of the structure.
Способ-объект настоящего изобретения улучшает адгезию обработанных полимерных подложек, поскольку он создает поверхностные содержащие кислород активные частицы, модифицирует топографию и уменьшает количество присутствующих загрязнителей, таких как фтор или силиконы, которые оказывают сильное пагубное воздействие на эффективность адгезионной связи. Таким образом, данный способ не только не требует операций по предварительной или последующей очистке органическими растворителями, но он также сам способен удалять элементы, которые ухудшают механические свойства связи, образованной на обработанной поверхности.The object method of the present invention improves the adhesion of the treated polymer substrates because it creates surface oxygen-containing active particles, modifies the topography and reduces the amount of contaminants present, such as fluorine or silicones, which have a strong detrimental effect on the adhesive bond efficiency. Thus, this method not only does not require preliminary or subsequent cleaning with organic solvents, but it is also capable of removing elements that impair the mechanical properties of the bond formed on the treated surface.
Одно преимущество способа-объекта настоящего изобретения заключается в том, что использование генераторов плазмы, работающих при атмосферном давлении, позволяет распространить обработку на авиационные области применения, в которых подлежащие обработке структуры обычно имеют значительные размеры. Возможность генерировать и проецировать плазму при атмосферном давлении также облегчает автоматизацию процесса и его внедрение в системы массового производства.One advantage of the method-object of the present invention is that the use of plasma generators operating at atmospheric pressure makes it possible to extend the processing to aviation applications in which the structures to be processed usually have significant dimensions. The ability to generate and project plasma at atmospheric pressure also facilitates the automation of the process and its implementation in mass production systems.
Другое преимущество заключается в том, что автоматизация обработки, в свою очередь, допускает разработку систем массового мониторинга качества процесса поверхностной обработки, такого как измерение углов контактирования на обработанных поверхностях. В любом случае система обеспечивает повторяемость обработки, что облегчает внедрение систем контроля качества посредством статистического отбора образцов или даже систем гарантированного качества, которые не требуют проведения испытаний в ходе осуществления процесса.Another advantage is that the automation of processing, in turn, allows the development of mass monitoring systems for the quality of the surface treatment process, such as measuring contact angles on machined surfaces. In any case, the system ensures repeatability of processing, which facilitates the implementation of quality control systems through statistical sampling or even guaranteed quality systems that do not require testing during the process.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего подробного описания иллюстративного осуществления объекта изобретения в сочетании с приложенными чертежами.Other characteristics and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of an illustrative embodiment of the subject invention in conjunction with the attached drawings.
Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawings
На Фиг.1 показана эволюция углов контактирования при испытании на применение поверхностной обработки плазмой согласно изобретению композиционного материала из углеродного волокна и эпоксидной смолы посредством изменения скорости подвижной пластины (время обработки).Figure 1 shows the evolution of the contact angles when tested for the application of a plasma surface treatment according to the invention of a composite material of carbon fiber and epoxy resin by changing the speed of the movable plate (processing time).
Фиг.2, 3 и 4 представляют собой микрофотографии, соответственно показывающие поверхность композиционного материала до обработки по способу-объекту настоящего изобретения и после обработки со скоростью 5 м/мин и со скоростью 1 м/мин.Figure 2, 3 and 4 are micrographs, respectively, showing the surface of the composite material before processing according to the method-object of the present invention and after processing at a speed of 5 m / min and at a speed of 1 m / min.
На Фиг.5 показана эволюция процентного содержания атомов О и С и отношение О/С на поверхности материала, обработанного по способу-объекту настоящего изобретения, в зависимости от скорости подвижной пластины.Figure 5 shows the evolution of the percentage of O and C atoms and the O / C ratio on the surface of the material processed according to the method-object of the present invention, depending on the speed of the movable plate.
На Фиг.6 показана эволюция процентного содержания атомов N, S и F на поверхности материала, обработанного по способу-объекту настоящего изобретения в зависимости от скорости подвижной пластины.Figure 6 shows the evolution of the percentage of N, S and F atoms on the surface of the material processed according to the method-object of the present invention depending on the speed of the movable plate.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Способ поверхностной обработки структур композиционных материалов на основе полимерной матрицы, армированной углеродным волокном, в качестве подготовки перед адгезионным связыванием, который представляет собой объект настоящего изобретения, основан на регулировании параметров, которые будут указаны ниже, в целях оптимизации окончательного результата, который следует получить, в соответствии с химическими характеристиками подлежащей обработке полимерной матрицы.The method of surface treatment of the structures of composite materials based on a carbon fiber reinforced polymer matrix as a preparation for adhesive bonding, which is an object of the present invention, is based on the regulation of the parameters that will be indicated below, in order to optimize the final result that should be obtained in according to the chemical characteristics of the polymer matrix to be treated.
Тип генератора плазмы при атмосферном давлении. Способ поверхностной обработки структур композиционного материала по настоящему изобретению может быть осуществлен с использованием коммерчески доступного оборудования для генерации плазмы при атмосферном давлении независимо от его конкретных технических характеристик и системы, которую оно применяет для генерации плазмы. Данный способ отличается высокой гибкостью, и, что касается конфигурации форсунок, то могут быть использованы точечные форсунки, испускающие плазменные фокусы в форме конической призмы, а также путем расположения на одной линии перекрывающихся точечных источников могут быть разработаны форсунки, которые охватывают большие поверхности. Последняя система позволяет добиться большей гибкости, когда необходимо выбрать площадь, подлежащую обработке, поскольку можно использовать совокупность точечных источников или только часть из них, чтобы покрыть меньшие площади. Аналогично, также могут быть использованы форсунки, распространяющие плазму по линейной поверхности, что обеспечивает большую гомогенность обработки, или же могут быть использованы даже циркулярные форсунки, способные создавать различные профили для обработки. В случае связывания авиационных структур подлежащая обработке площадь всегда соответствует поверхности контакта между агентами повышения жесткости, и базовая поверхность элемента, следовательно, определяется шириной и длиной базиса агента повышения жесткости.Type of plasma generator at atmospheric pressure. The method of surface treatment of structures of the composite material of the present invention can be carried out using commercially available equipment for the generation of plasma at atmospheric pressure, regardless of its specific technical characteristics and the system that it uses to generate plasma. This method is highly flexible, and as regards the configuration of the nozzles, point nozzles emitting plasma tricks in the form of a conical prism can be used, and nozzles that span large surfaces can be developed on the same line of overlapping point sources. The latter system allows for greater flexibility when it is necessary to select the area to be processed, since you can use a combination of point sources or only a part of them to cover smaller areas. Similarly, nozzles that propagate the plasma along a linear surface can also be used, which provides greater processing homogeneity, or even circular nozzles capable of creating various profiles for processing can be used. In the case of bonding of aircraft structures, the area to be treated always corresponds to the contact surface between the stiffening agents, and the base surface of the element, therefore, is determined by the width and length of the basis of the stiffening agent.
Расстояние между форсункой и подложкой. В способе по изобретению плазму проецируют при атмосферном давлении в форме конической призмы, так что чем больше расстояние между форсункой и подложкой, тем большей будет площадь обработанной поверхности. Но, в противовес этому, чем больше расстояние до подложки, тем меньшими будут мощность и эффективность активации поверхности. Поэтому необходимо принять решение, которое представляет собой компромисс между геометрическими параметрами обрабатываемой пучком площади и эффективностью луча, принимая во внимание, что данное расстояние должно находиться в диапазоне от 0,2 до 10 см. Оптимальное расстояние в случае композиционных материалов из углеродного волокна составляет от 0,5 до 3 см. При меньших расстояниях термическое разложение обычно приводит как к повреждению основного материала, так и к ухудшению свойств связанного соединения, а при больших расстояниях эффективность обработки значительно снижается. Уменьшение расстояния между форсункой и поверхностью усиливает интенсивность обработки, и линейная скорость форсунки может быть увеличена.The distance between the nozzle and the substrate. In the method according to the invention, the plasma is projected at atmospheric pressure in the form of a conical prism, so that the greater the distance between the nozzle and the substrate, the larger the surface area will be treated. But, in contrast to this, the greater the distance to the substrate, the smaller the power and surface activation efficiency will be. Therefore, it is necessary to make a decision, which is a compromise between the geometric parameters of the area processed by the beam and the beam efficiency, taking into account that this distance should be in the range from 0.2 to 10 cm. The optimal distance in the case of carbon fiber composite materials is from 0 , 5 to 3 cm. At shorter distances, thermal decomposition usually leads both to damage to the base material and to deterioration of the properties of the bound compound, and at large distances, the effect Treatment will be greatly reduced. Reducing the distance between the nozzle and the surface enhances the processing intensity, and the linear speed of the nozzle can be increased.
Угол падения плазменного пучка. В способе согласно изобретению установлено, что, составляя от 75° до 105°, угол падения плазменного пучка не оказывает заметного отрицательного воздействия на свойства обработанной поверхности, если он применяется в установленных для расстояния допустимых пределах. Независимость от угла падения представляется особенно интересной при обработке отвержденных поверхностей.The angle of incidence of the plasma beam. In the method according to the invention it was found that, ranging from 75 ° to 105 °, the angle of incidence of the plasma beam does not have a noticeable negative effect on the properties of the treated surface, if it is used within the permissible limits set for the distance. Independence from the angle of incidence is particularly interesting when machining cured surfaces.
Мощность, используемая для генерации плазменного пучка. В способе согласно изобретению мощность плазменного пучка определяет конечные характеристики, получаемые посредством обработки. Если используется избыточная мощность, абляция поверхности даже может удалить все микрошероховатости, ухудшая прочность и долговечность адгезионной связи. Так же, избыточная мощность может термически разрушить подлежащую обработке поверхность, приводя к возникновению слабых межповерхностных границ, что ухудшает эффективность связи. Напротив, если мощность плазмы является недостаточной, материал полимерной матричной основы не получит желаемого уровня активации поверхности, следовательно, заметного улучшения эксплуатационных качеств его адгезионной связи достичь не удастся. В случае композиционных материалов из углеродного волокна оптимальная мощность обработки составляет от 2000 до 3000 Вт.The power used to generate the plasma beam. In the method according to the invention, the plasma beam power determines the final characteristics obtained by processing. If excess power is used, surface ablation can even remove all micro-roughness, impairing the strength and durability of the adhesive bond. Also, excess power can thermally destroy the surface to be treated, leading to the appearance of weak inter-surface boundaries, which affects the efficiency of the connection. On the contrary, if the plasma power is insufficient, the material of the polymer matrix base will not receive the desired level of surface activation, therefore, it will not be possible to achieve a noticeable improvement in the performance of its adhesive bond. In the case of carbon fiber composite materials, the optimum processing power is from 2000 to 3000 watts.
Используемые газ или смесь газов. В способе согласно изобретению поверхностная обработка плазмой при атмосферном давлении может сочетаться с воздействием одного или более активных газов, которые проводят селективную модификацию подложки в зависимости от ее природы и от желаемой степени активации. Плазма, генерированная в реакторе, может быть спроецирована на подложку с помощью системы сжатого воздуха, но если химические характеристики связываемой подложки этого требуют, то могут быть использованы другие активные газы или смеси газов (O2, N2, Ar…), которые усиливают действие плазмы при атмосферном давлении, вводя активные частицы, которые увеличивают поверхностную энергию полимера, подлежащего активации.Used gas or mixture of gases. In the method according to the invention, surface plasma treatment at atmospheric pressure can be combined with the action of one or more active gases, which selectively modify the substrate depending on its nature and on the desired degree of activation. The plasma generated in the reactor can be projected onto the substrate using a compressed air system, but if the chemical characteristics of the substrate to be bonded require this, other active gases or gas mixtures (O 2 , N 2 , Ar ...) can be used that enhance the action plasma at atmospheric pressure, introducing active particles that increase the surface energy of the polymer to be activated.
Воздух представляет собой подходящий активный газ для подложек композиционных материалов на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы, стекловолокна и эпоксидной смолы или углеродного волокна и бисмалеинимидной смолы.Air is a suitable active gas for substrates of composite materials based on carbon fiber and epoxy resin, fiberglass and epoxy resin, or carbon fiber and bismaleimide resin.
Скорость обработки. В способе согласно изобретению для обработки авиационных структур рекомендуется использовать рабочие скорости более 20 м2/ч. Было замечено, что линейная скорость 1 м/мин является оптимальной для композиционных материалов из углеродного волокна и эпоксидной смолы, причем ширина пучка соответствует поверхности, подлежащей обработке. Данная скорость создает желаемую абляцию и композицию, и является достаточно большой для массового производства крупных элементов, используемых в последующей сборке в сборных узлах авиационной структуры.Processing speed. In the method according to the invention, it is recommended to use operating speeds of more than 20 m 2 / h for processing aircraft structures. It was noted that a linear speed of 1 m / min is optimal for composite materials made of carbon fiber and epoxy, and the beam width corresponds to the surface to be processed. This speed creates the desired ablation and composition, and is large enough for the mass production of large elements used in subsequent assembly in prefabricated nodes of the aviation structure.
Обрабатываемая поверхность. Подлежащая обработке площадь зависит как от линейной скорости обработки, так и от поверхности, которую способна охватить форсунка, испускающая плазму. Цель данной обработки заключается в ее применении для крупных элементов, подлежащие обработке площади которых представляют собой по существу полосы различной ширины, обычно в диапазоне от 25 до 400 мм.The processed surface. The area to be treated depends on both the linear processing speed and the surface that the nozzle emitting the plasma can cover. The purpose of this treatment is to apply it to large elements whose areas to be treated are essentially strips of different widths, usually in the range of 25 to 400 mm.
Автоматизация. Способ-объект настоящего изобретения может быть автоматизирован и интегрирован в качестве другой фазы производственного процесса, используемого в настоящее время. Два разных альтернативных варианта предлагаются для автоматизации данного способа:Automation. The object method of the present invention can be automated and integrated as another phase of the production process currently in use. Two different alternatives are offered to automate this method:
a) Установка плазменной головки на робота, способного перемещаться над деталью, подлежащей обработке, и селективно проводить обработку. Данный тип автоматизации представляет собой желательный вариант в случае больших деталей, таких как лайнеры или лонжероны. Автоматическая обработка может быть запрограммирована так, чтобы проводить обработку исключительно площадей, на которые впоследствии будет нанесен адгезив, с использованием систем цифрового управления. Разнообразие данных систем делает возможным программирование индивидуализированной обработки большого числа элементов только с учетом их местоположения относительно реперных отметок.a) Installing the plasma head on a robot capable of moving over the part to be processed and to selectively conduct processing. This type of automation is a desirable option for large parts such as liners or spars. Automatic processing can be programmed to process exclusively areas where adhesive will subsequently be applied using digital control systems. The variety of these systems makes it possible to program individualized processing of a large number of elements only taking into account their location relative to reference marks.
b) Установка плазменной головки на фиксированную опору и перемещение деталей на моторизированной берме с движением в направлении по трем осям с возможностью вращения. В случае, когда техническая сложность плазменной головки при атмосферном давлении затрудняет ее перевод в автоматический режим, она может быть установлена на фиксированную опору. В данном случае деталь представляла бы собой такую деталь, которая бы двигалась, чтобы последовательность импульсов полностью обработала подлежащую обработке поверхность.b) Installing the plasma head on a fixed support and moving parts on a motorized berm with movement in the direction along three axes with the possibility of rotation. In the case when the technical complexity of the plasma head at atmospheric pressure makes it difficult to transfer it to automatic mode, it can be mounted on a fixed support. In this case, the part would be such a part that would move so that the train of pulses completely processed the surface to be treated.
Управление способом. Полная автоматизация обработки делает возможным внедрение в способ массовой подготовки поверхностей систем мониторинга качества, таких как системы измерения углов контактирования на обработанных деталях. В любом случае система гарантирует повторяемость обработки, что облегчает внедрение систем контроля качества путем статистического сбора образцов или даже систем гарантированного качества, которые не требуют проведения испытаний в ходе осуществления способа. В данном случае могут быть внедрены автоматизированные системы, которые определяют угол контактирования на обработанной поверхности.Way management. Full automation of processing makes it possible to introduce quality monitoring systems, such as systems for measuring contact angles on machined parts, into the mass preparation of surfaces. In any case, the system guarantees repeatability of processing, which facilitates the implementation of quality control systems by statistical sampling or even guaranteed quality systems that do not require testing during the implementation of the method. In this case, automated systems can be implemented that determine the contact angle on the treated surface.
Результаты некоторых испытаний, проведенных с применением способа-объекта настоящего изобретения, описаны ниже.The results of some tests carried out using the method-object of the present invention are described below.
Испытание 1
Панель композиционного материала из углеродного волокна и эпоксидной смолы (панель 977-2) подвергали обработке при изменяющейся скорости (от 1 м/мин до 10 м/мин) подвижной пластины, где значения других рабочих параметров приведены ниже:A panel of a composite material of carbon fiber and epoxy resin (panel 977-2) was subjected to processing at a variable speed (from 1 m / min to 10 m / min) of a movable plate, where the values of other operating parameters are given below:
- Мощность плазменного пучка: 2362 Вт- Plasma beam power: 2362 W
- Расстояние подвижная пластина-луч: 0,75 см- Distance movable plate-beam: 0.75 cm
- Число последовательных обработок: 1.- Number of sequential treatments: 1.
На Фиг.1 показана эволюция статических углов контактирования, измеренных с помощью различных стандартных жидкостей при варьировании скорости подвижной пластины. С уменьшением скорости подвижной пластины (увеличением времени обработки) угол контактирования становится меньше и смачивание возрастает (угол контактирования уменьшается).Figure 1 shows the evolution of static contact angles, measured using various standard liquids with varying speed of the movable plate. With a decrease in the speed of the movable plate (increase in processing time), the contact angle becomes smaller and wetting increases (the contact angle decreases).
Угол контактирования представляет собой важный индикатор, поскольку существенное условие эффективности адгезионной связи заключается в существовании непосредственного контакта между сцепляемой подложкой и адгезивом и с этой целью адгезив должен смачивать всю поверхность сцепляемой подложки. Способность к смачиванию или смачиваемость количественно характеризуют поверхностной энергией (σsv), которая изменяется в соответствии с углом контактирования. Угол контактирования (краевой угол) относится к углу, образованному поверхностью адгезива, при приведении в контакт со сцепляемой подложкой. Величина угла контактирования зависит главным образом от соотношения, существующего между силами адгезии, возникающими между адгезивом и сцепляемой подложкой, и силами когезии адгезива. Когда силы адгезии очень велики по сравнению с силами когезии, угол контактирования составляет менее чем 90 градусов, в результате чего адгезив смачивает поверхность сцепляемой подложки. Чем меньше угол контактирования (лучше смачивание), тем большей будет поверхностная энергия и тем более плотным будет контакт адгезив-сцепляемая подложка, и, таким образом, образуется более эффективная адгезионная связь.The contact angle is an important indicator, since an essential condition for the effectiveness of adhesive bonding is that there is direct contact between the adhered substrate and the adhesive, and for this purpose, the adhesive should wet the entire surface of the adherent substrate. The wettability or wettability is quantitatively characterized by surface energy (σ sv ), which varies in accordance with the contact angle. The contact angle (contact angle) refers to the angle formed by the surface of the adhesive when brought into contact with the adhered substrate. The magnitude of the contact angle depends mainly on the relationship between the adhesion forces arising between the adhesive and the adhered substrate and the adhesion forces of the adhesive. When the adhesion forces are very large compared to the cohesion forces, the contact angle is less than 90 degrees, as a result of which the adhesive wets the surface of the adhered substrate. The smaller the contact angle (better wetting), the greater the surface energy will be and the more dense the contact will be the adhesive-adherent substrate, and thus, a more effective adhesive bond is formed.
Фиг.2-4 показывают, что с увеличением скорости подвижной пластины, то есть с уменьшением времени обработки пучком, имеет место слабое обнажение обработанной поверхности (удаление поверхностного материала), тогда как поверхность, подвергнутая более длительному воздействию (меньшая скорость подвижной пластины) является менее шероховатой. Данное поведение объясняется абляцией поверхности, произведенной посредством обработки плазменным пучком, так что, когда скорость подвижной пластины уменьшается и обработка становится более агрессивной, имеет место большее обнажение, приводящее к менее шероховатым поверхностям композиционного материала.Figures 2-4 show that with an increase in the speed of the movable plate, that is, with a decrease in the processing time by the beam, there is a slight exposure of the treated surface (removal of surface material), while a surface subjected to a longer exposure (lower speed of the movable plate) is less rough. This behavior is explained by ablation of the surface produced by treatment with a plasma beam, so that when the speed of the movable plate decreases and the treatment becomes more aggressive, there is a greater exposure, leading to less rough surfaces of the composite material.
Фиг.5 показывает, что когда скорость подвижной пластины уменьшается (увеличивается степень обработки), процентное содержание атомов кислорода, а также отношение О/С, на поверхности материала увеличивается, благоприятствуя ее сцеплению. Так же, на Фиг.6 можно видеть, что процентные содержания атомов N и S первых атомных слоев увеличиваются тем больше, чем меньше скорость подвижной пластины, что указывает на то, что глубина обработки увеличивается. Также необходимо указать на постоянное уменьшение процентного содержания атома F с уменьшением скорости подвижной пластины. Присутствие F оказывает пагубное воздействие на сцепленное соединение, и оно обусловлено применением агентов, служащих для извлечения пластины из формы.Figure 5 shows that when the speed of the movable plate decreases (the degree of processing increases), the percentage of oxygen atoms, as well as the O / C ratio, on the surface of the material increases, favoring its adhesion. Also in FIG. 6, it can be seen that the percentages of the N and S atoms of the first atomic layers increase the more, the lower the speed of the movable plate, which indicates that the processing depth is increasing. It is also necessary to indicate a constant decrease in the percentage of the F atom with a decrease in the speed of the moving plate. The presence of F has a detrimental effect on the bonded compound, and is due to the use of agents used to remove the plate from the mold.
Поверхности с низкой поверхностной энергией обычно неполярны. Образование содержащих кислород групп на поверхности материала увеличивает полярность поверхности, благоприятствуя внутренней адгезии, поскольку возникают "новые" силы Ван-дер-Ваальса (которые непосредственно связаны с плотным контактом поверхностей, подлежащих соединению) и водородные связи (которые представляют собой достаточно прочные связи, допускающие структурное применение сцепленных соединений), так что чем более полярна поверхность (чем больше отношение О/С), тем большей будет поверхностная энергия и тем более эффективной будет адгезионная связь.Surfaces with low surface energy are usually non-polar. The formation of oxygen-containing groups on the surface of the material increases the polarity of the surface, favoring internal adhesion, since "new" Van der Waals forces (which are directly related to the tight contact of the surfaces to be joined) and hydrogen bonds (which are sufficiently strong bonds that allow structural application of bonded compounds), so that the more polar the surface (the greater the O / C ratio), the greater the surface energy will be and the more effective will be an adhesive bond.
Испытание 2
Панель композиционного материала подвергали обработке при изменяющемся расстоянии, где значения других рабочих параметров приведены ниже:The composite panel was processed at a varying distance, where the values of other operating parameters are given below:
- Мощность плазменного пучка: 2200 Вт- Plasma beam power: 2200 W
- Скорость обработки (1 м/мин)- Processing speed (1 m / min)
Цель испытания заключалась в том, чтобы оценить долговечность обработки, также с помощью ранее упомянутого варьирования элементов, посредством испытания линии соединения на сопротивление разрыву, причем были получены следующие результаты.The purpose of the test was to evaluate the durability of the treatment, also using the previously mentioned variation of the elements, by testing the connection line for tensile strength, and the following results were obtained.
Тип разрушения элементов, обработанных плазменными пучками, определяется когезией, то есть разрыв происходит в адгезионной пленке. С другой стороны, в необработанных элементах тип разрушения определяется адгезией, то есть разрыв происходит на границе раздела композиционный материал-адгезив. Полученные данные свидетельствуют, что поверхность композиционных. материалов, полученная при обработке плазменным пучком, не претерпевает деструкцию, по меньшей мере, в течение 25 дней от обработки.The type of destruction of elements treated with plasma beams is determined by cohesion, i.e., rupture occurs in the adhesive film. On the other hand, in untreated elements, the type of failure is determined by adhesion, that is, a break occurs at the composite-adhesive interface. The data obtained indicate that the surface is composite. materials obtained during processing by a plasma beam does not undergo degradation for at least 25 days from processing.
Данные испытания демонстрируют, что свойства активированной полимерной поверхности не ухудшаются в пределах нормальных сроков производственной обработки деталей перед их дальнейшим использованием для связывания, следовательно, внедрение данного способа делает производственный цикл более гибким в отношении способов подготовки поверхности, которые более чувствительны к вредному воздействию атмосферы.These tests demonstrate that the properties of the activated polymer surface do not deteriorate within the normal terms of the production processing of parts before their further use for bonding, therefore, the introduction of this method makes the production cycle more flexible with respect to surface preparation methods that are more sensitive to the harmful effects of the atmosphere.
В только что изложенный предпочтительный вариант осуществления могут быть внесены модификации, которые включены в объем, определяемый нижеследующей формулой изобретения.Modifications may be made to the just described preferred embodiment, which are included within the scope defined by the following claims.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117169/12A RU2378117C1 (en) | 2005-09-30 | 2005-09-30 | Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117169/12A RU2378117C1 (en) | 2005-09-30 | 2005-09-30 | Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008117169A RU2008117169A (en) | 2009-11-10 |
| RU2378117C1 true RU2378117C1 (en) | 2010-01-10 |
Family
ID=41354295
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008117169/12A RU2378117C1 (en) | 2005-09-30 | 2005-09-30 | Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2378117C1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201718387D0 (en) | 2017-11-07 | 2017-12-20 | Univ College Dublin Nat Univ Ireland Dublin | Surface preparation |
-
2005
- 2005-09-30 RU RU2008117169/12A patent/RU2378117C1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008117169A (en) | 2009-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2624565C (en) | Method of surface treatment of composite material structures with atmospheric plasma beams | |
| US4931125A (en) | Method for adhesive bonding with pretreatment of components | |
| US8987632B2 (en) | Modification of surface energy via direct laser ablative surface patterning | |
| RU2401200C2 (en) | Metal element with fixation-prone coat | |
| Harder et al. | Effect of infrared laser surface treatment on the morphology and adhesive properties of scarfed CFRP surfaces | |
| Bres et al. | Fine-tuning of chemical and physical polymer surface modifications by atmospheric pressure post-discharge plasma and its correlation with adhesion improvement | |
| US20040258850A1 (en) | Environmentally friendly reactive fixture to allow localized surface engineering for improved adhesion to coated and non-coated substrates | |
| US20020129833A1 (en) | Method for cleaning surface finished articles of manufacture | |
| Stewart et al. | Investigation and demonstration of the durability of air plasma pre-treatment on polypropylene automotive bumpers | |
| JP2022033119A (en) | Adhesive body | |
| RU2378117C1 (en) | Method of surface processing of composite material structures by plasma beams at atmospheric pressure | |
| US8586149B2 (en) | Environmentally friendly reactive fixture to allow localized surface engineering for improved adhesion to coated and non-coated substrates | |
| US20090289032A1 (en) | Method and kit for surface preparation | |
| JP3661723B2 (en) | Method for producing rubber-based composite material | |
| Rotel et al. | Preadhesion laser surface treatment of carbon fiber reinforced PEEK composite | |
| Ebnesajjad | Surface preparation of thermoplastics, thermosets, and elastomers | |
| Buchman et al. | Laser-induced adhesion enhancement of polymer composites and metal alloys | |
| US11148408B2 (en) | Method for plasma treating substrates and for bonding plasma treated substrates | |
| Sánchez Serrano | Surface modifications of composite materials by atmospheric pressure plasma treatment | |
| Sarikaya et al. | Surface functionalization of automated fiber placement manufactured composites by atmospheric pressure plasma jet | |
| Gallant et al. | New adhesive bonding surface treatment technologies for lightweight aluminum-polypropylene hybrid joints in semi-structural applications | |
| Kia et al. | Powder priming of SMC. Part I: Assessment of the current technologies | |
| Palleiro et al. | Atmospheric pressure plasma surface treatment of thermoplastic composites for bonded joints | |
| Poulis et al. | UV/Ozone Surface Treatment of Polymers to Enhance Their Adhesion | |
| Böhm et al. | Surface treatment of components by the use of lasers to increase the wetability and to improve the adhesion |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181001 |