CN110560907A - 一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料加工处理领域，具体而言，提供了一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺。所述表面处理工艺，采用能量密度为0.9‑1.5J/cm2的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理。该表面处理工艺利用激光的高能量脉冲使复合材料表面污物或树脂发生瞬间蒸发、剥离或裂解等复杂的物理化学反应，达到高效清洁复合材料表面的目的。通过采用特定能量密度的激光对碳纤维复合材料进行表面处理，能够将复合材料表面的树脂或污物完全清除，表面无残留的树脂或污物，且能够保证碳纤维不被损伤，因而能够保证复合材料的力学性能。

Description

一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺
技术领域
本发明涉及复合材料加工处理领域，具体而言，涉及一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(又称为碳纤维复合材料，CFRP，Carbon FiberReinforced Polymer/Plastic)是指以碳纤维及其制品增强的树脂基复合材料，相对于传统的金属材料，碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、易导电、易传热和热膨胀系数小等一系列优异特性，被应用于航空、航天、汽车工业、体育用品、建筑、土木、建筑和交通运输等领域，因而在军民两用方面，碳纤维复合材料的用量激增。
由于碳纤维复合材料的惰性，在对其进行喷漆或维修等处理之前，需对母体表面进行预处理以清除表面的各种污垢和提高表面能，使之更利于粘附，从而提高质量与可靠性。因此，为了充分发挥碳纤维的特性，通常需要对碳纤维复合材料进行必要的表面处理。目前，工程上常采用手工与气动打磨的方式对民机复合材料的维修表面进行预处理，其他表面预处理的方法包括喷砂处理、电晕处理、等离子处理、化学清洁等。
以上这些表面处理技术可在一定程度上改善表面性能，但也存在不同程度的问题。例如，传统的表面打磨或喷砂处理，耗时长、效率低下，对表面去除的深度控制不准确，可能使表面纤维暴露，导致表面质量不稳定；电晕放电与等离子处理可以去除表面污染物，糙化表面以及引入含氧官能团，但是对厂房和环境要求较高，限制了待处理的碳纤维复合材料构件的尺寸；化学清洁方法采用强酸、强碱或各种胺类溶剂，对环境和操作人员有较大伤害，且容易造成基材损伤。在工业上得到实际应用的是电化学氧化法，这是因为电化学氧化法反应温和、反应程度易于控制、处理效果显著；但是，电化学氧化法存在能耗大、废液产生量大、对环境污染大的问题，而且复合材料的综合力学性能未得到充分发挥。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，该表面处理工艺处理效率高，处理后复合材料的力学性能好，且操作简单，可控性强，无“三废”排放，对环境友好。
本发明的第二目的在于提供一种采用上述表面处理工艺处理得到的碳纤维复合材料。
本发明的第三目的在于提供一种上述碳纤维复合材料在航空航天领域、汽车领域或体育用品领域中的应用。
本发明的第四目的在于提供一种航空航天部件、汽车部件、航空航天设备、汽车或体育用品。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，采用能量密度为0.9-1.5J/cm2的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理。
作为进一步优选的技术方案，红外激光的能量密度为1-1.3J/cm2。
作为进一步优选的技术方案，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为10-16W，红外激光的频率为50-100kHz，光斑直径为50-120μm。
作为进一步优选的技术方案，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为12W，红外激光的频率为100kHz，光斑直径为50μm。
作为进一步优选的技术方案，红外激光的波长为1064nm；
优选地，红外激光的脉冲宽度为200ns。
作为进一步优选的技术方案，红外激光的扫描速度为700-1000mm/s；
优选地，红外激光的扫描次数为3-9次。
作为进一步优选的技术方案，红外激光的离焦量为0-5mm，优选为4mm。
第二方面，本发明提供了一种采用上述表面处理工艺处理得到的碳纤维复合材料。
第三方面，本发明提供了一种上述碳纤维复合材料在航空航天领域、汽车领域或体育用品领域中的应用。
第四方面，本发明提供了一种航空航天部件或汽车部件，包括上述碳纤维复合材料；
或，航空航天设备、汽车或体育用品，包括上述碳纤维复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理，利用红外激光的高能量脉冲使复合材料表面污物或树脂发生瞬间蒸发、剥离或裂解等复杂的物理化学反应，达到高效清洁复合材料表面的目的。通过采用特定能量密度的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理，能够将复合材料表面的树脂或污物完全清除，使表面无残留的树脂或污物，且能够保证碳纤维不被损伤，因而能够保证复合材料的力学性能。若激光能量密度过低，则表面树脂或污物不能被完全清除；若激光能量密度过高，则碳纤维会被烧损。
与传统表面处理方法相比，利用激光技术对碳纤维复合材料进行处理具有以下优点：
(1)传统的处理方法是接触式的，对材料表面有机械力作用，容易导致表面损伤和产生二次污染；激光处理是“绿色”非接触式的处理方法，能解决上述问题，无“三废”排放，对环境友好；
(2)激光处理速度快，节省维修时间，生产效率更高；且无需对碳纤维复合材料进行特殊处理，对于大型装置，尤其针对民用飞机复合材料结构件表面树脂去除的投资减少，制造成本降低；
(3)激光的调控参数确定后可实现数字化操作，维修质量的控制具有优异的可控性与稳定性；
(4)激光可通过光纤传输，与机器人配合易实现自动化远程操作，也可以完成高难度的维修作业；
(5)虽然激光仪器价格较高，但是维修使用期间只需要消耗电能，人工成本非常低，运行成本大幅度降低。
附图说明
图1为本发明提供的碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺的系统结构示意图；
图2为本发明提供的碳纤维复合材料层合结构表面树脂清理示意图；
图3(a)为未经处理的碳纤维复合材料表面的SEM图；
图3(b)为采用实施例2中的工艺处理后的碳纤维复合材料表面的SEM图；
图4(a)为离焦量为0的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图；
图4(b)为离焦量为1的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图；
图4(c)为离焦量为2的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图；
图4(d)为离焦量为3的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图；
图4(e)为离焦量为4的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图；
图4(f)为离焦量为5的条件下，碳纤维复合材料表面形貌SEM图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
根据本发明的一个方面，提供了一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，采用能量密度为0.9-1.5J/cm2的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理。
本发明采用红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理，利用红外激光的高能量脉冲使复合材料表面污物或树脂发生瞬间蒸发、剥离或裂解等复杂的物理化学反应，达到高效清洁复合材料表面的目的。通过采用特定能量密度的激光对碳纤维复合材料进行表面处理，能够将复合材料表面的树脂或污物完全清除，表面无残留的树脂或污物，且能够保证碳纤维不被损伤，因而能够保证复合材料的力学性能。若激光能量密度过低，则表面树脂或污物不能被完全清除；若激光能量密度过高，则碳纤维会被烧损。
与传统表面处理方法相比，利用激光技术对碳纤维复合材料进行处理具有以下优点：
(1)传统的处理方法是接触式的，对材料表面有机械力作用，容易导致表面损伤和产生二次污染；激光处理是“绿色”非接触式的处理方法，能解决上述问题，无“三废”排放，对环境友好；
(2)激光处理速度快，节省维修时间，生产效率更高；且无需对碳纤维复合材料进行特殊处理，对于大型装置，尤其针对民用飞机复合材料结构件表面树脂去除的投资减少，制造成本降低；
(3)激光的调控参数确定后可实现数字化操作，维修质量的控制具有优异的可控性与稳定性；
(4)激光可通过光纤传输，与机器人配合易实现自动化远程操作，也可以完成高难度的维修作业；
(5)虽然激光仪器价格较高，但是维修使用期间只需要消耗电能，人工成本非常低，运行成本大幅度降低。
本发明中，激光的能量密度典型但非限制性的为0.9J/cm2、0.95J/cm2、1J/cm2、1.05J/cm2、1.1J/cm2、1.15J/cm2、1.2J/cm2、1.25J/cm2、1.3J/cm2、1.35J/cm2、1.4J/cm2、1.45J/cm2或1.5J/cm2。上述“能量密度”是指单脉冲能量在单位面积上的能量分布。上述“红外激光”是特指波长为1064nm的红外激光。
在一种优选的实施方式中，红外激光的能量密度为1-1.3J/cm2。经实验验证，本优选实施方式中激光的能量密度更加合理，对树脂或污物的清除程度和对碳纤维的损伤程度的平衡性更好，对复合材料表面的处理效果相对更好。
在一种优选的实施方式中，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为10-16W，红外激光的频率为50-100kHz，光斑直径为50-120μm。
优选地，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为12W，红外激光的频率为100kHz，光斑直径为50μm。
红外激光的功率、频率和光斑直径对激光的能量密度有重要影响，能量密度可近似地通过下式计算得到：
ED＝4P/πFd2 (1)
上式(1)中，ED为激光的能量密度，P为激光的功率，F为激光的频率，d为光斑面积。
本优选实施方式通过调整激光的功率、频率和光斑直径，能使得激光的能量密度在科学合理的范围内，对复合材料的表面处理效果更好。
在一种优选的实施方式中，红外激光的波长为1064nm。不同波长的激光对碳纤维复合材料的处理效果是不一样的，当波长过长时，复合材料的损伤深度较大，主要损伤方式为树脂分解，会造成复合材料内部树脂的损伤；当波长过短时，复合材料的损伤深度较小，不会对复合材料内部的树脂造成损伤，然而由于波长过短，会导致材料表面的树脂或污物无法完全清除。当激光的波长在上述范围内时，复合材料的损伤主要集中在表面，能够将表面的树脂或污物有效分解，并且不会对复合材料内部造成损伤。
优选地，红外激光的脉冲宽度为200ns。脉冲宽度是指激光功率维持在一定值时所持续的时间。脉冲宽度不宜过长或过短，宽度过长，则易使激光的能量在复合材料表面积累过多，从而造成碳纤维的损伤；宽度过短，则激光的能量在复合材料表面停留的时间过短，无法有效清除材料表面的树脂或污物。当激光的脉冲宽度在上述范围内时，才能将表面的树脂或污物有效分解，同时避免碳纤维的损伤。
优选地，红外激光的扫描速度为700-1000mm/s。扫描速度过大，会导致复合材料表面树脂或污物清除不完全，这是由于过快的扫描速度导致脉冲激光在材料表面的能量密度分布降低，而扫描速度过小，虽然树脂或污物被完全清除，但碳纤维会有部分被烧断。当激光的扫描速度在上述范围内时，既能将树脂或污物完全清除，又不会损伤碳纤维，表层碳纤维裸露出来且较为完整。上述扫描速度典型但非限制性的为700mm/s、750mm/s、800mm/s、850mm/s、900mm/s、950mm/s或1000mm/s。
优选地，红外激光的扫描次数为3-9次。激光的扫描次数典型但非限制性的为3次、4次、5次、6次、7次、8次或9次。扫描次数过少会使材料表面树脂或污物无法完全清除，扫描次数过多会对基体材料造成损伤。
优选地，红外激光的离焦量为0-5mm，优选为4mm。离焦量是指激光焦点离碳纤维复合材料表面的距离。经研究发现，当激光的离焦量在上述范围内时，激光在复合材料表面的能量密度的分布较为均匀，不会对基体材料造成损伤，同时保证具有良好的树脂或污物的清理效果。
光纤中传输的激光不同于普通的几何光束，光纤中只存在基横模这个状态，其光束是高斯光束，高斯光束的半径定义为：光束横截面上其振幅下降到光束中央位置振幅1/e时位置到光束中央的距离，其对应的强度可由振幅平方算得，高斯光束能量分布E(r)可表示为：
式(2)中，P为激光功率，F为激光频率，r为任意一点到光斑中心的距离，z为所测平面离焦点平面间的距离，ω(z)为激光光束在传播轴线z点的光斑半径。
其中，z＝0时为激光焦点位置，此时，ω(z)的最小值ω0即为光斑半径，ZR为高斯光束瑞利长度。
因为：
将入式(2)后可得：
不难发现，式(4)中增大z值时，激光束光斑尺寸相应增大。
激光的焦点作用于CFRP结构表面时，其材料表面光斑尺寸即为光斑半径。因此通过调节材料与焦点间的位置即离焦量能够有效调节激光作用在CFRP结构表面光斑面积。
为研究激光离焦量对CFRP表面处理工艺的影响，分别选取离焦量z为：0mm-5mm，间隔为1mm，其余参数包括：功率14W，频率200kHz，扫描速度1000mm/s，扫描次数5次，能量为7×10-5J，光斑直径119μm。CFRP结构表面经试验后的形貌如图4(a)-图4(f)所示。
从图4(a)-图4(c)可以发现，离焦量分别为0、1、2mm时，材料表面大量纤维因烧蚀损伤而存在大量纤维断裂，但随着离焦量的增加，树脂残留程度逐渐降低。如图4(d)-图4(f)所示，离焦量为3、4、5mm时材料表面形貌已经有所改善，随着离焦量增加，纤维损伤范围以及损伤程度相应减小，纤维束交界区域的树脂几乎已经被完全清理。对以上差异进行分析，可能为：在焦点位置时，激光光斑尺寸最小，激光能量集中作用于小范围材料表面，因此极其容易将表层树脂破坏掉，树脂覆盖的碳纤维受到影响，并且在激光重复扫描过程中，纤维经脉冲激光高能量密度作用，发生了烧蚀现象；以其他参数不变的前提，通过增加离焦量，使作用于材料表面激光光斑增大，降低了激光作用于CFRP结构表面能量密度，当激光能量密度低于碳纤维损伤阈值时，使得纤维材料不容易被破坏；同时由于光斑面积增大，按预定扫描路径行进的激光束与邻近路径相互重叠的区域面积增加，激光能量辐照在CFRP材料表面上时，被碳纤维吸收的光能转换为热能，且光束路径叠加区域的热量持续累计，对树脂的清除更彻底、均匀。但若离焦量超过一定范围，如图4(f)所示，材料表面会有较薄的树脂层依附在纤维上，这种状态的树脂会影响胶黏剂对纤维的浸润，得到的表面不适宜胶接。因此选择合适的离焦量对获取适宜胶接的材料表面有极为重要的作用。
可选地，所述处理工艺包括以下步骤：
(1)放置待处理试件：将待处理的复合材料试件置于激光处理环境中，该待处理试件可以是放置于激光处理平台中，也可以是移动式激光处理装置进行碳纤维复合材料的原位处理，如图1所示。为了能够对曲面等异形表面进行处理，在光束调整单元集成红外测距设备，可根据试件表面形貌实时调整透镜与材料间的距离，保证处理试件时表面均匀性。
(2)调节激光器参数：通过激光发生器对碳纤维复合材料表面进行处理，调节激光处理的多项工艺参数以获得所需最佳处理效果。
激光器类型：IPG YLP-20W型调Q红外光纤激光器。
(3)激光表面处理：碳纤维复合材料层合结构表面树脂清理示意图如图2所示，一般表面处理方式使用的为焦点处的激光，激光的能量分布呈高斯分布，其优点是此时激光能量集中在光斑中心处。在本发明中，激光辐照材料时并不是在焦点位置，而是有一定的离焦量，随着离焦量的增加，激光能量在光斑上的分布更加均匀，且光斑面积增大。因为焦点处激光能量过于集中，虽然更容易清除表层树脂，但同时也容易对纤维造成损伤，而调低能量又会导致表层树脂的清理达不到预期的效果。而离焦后激光作用于材料表面时的能量均匀，大光斑保证了激光单次扫描时能量可以完整覆盖于材料表面。
(4)表面清洁处理：激光表面处理后在碳纤维复合材料表面可能会有激光与表层材料作用产生的生成物(如树脂燃烧后的灰尘)未及时清理而附着于材料表面，为了对激光表面处理效果进行验证，弱化外界因素的影响，故对处理后的表面使用清洗剂(无水乙醇或丙酮)将生成物清除，再对处理后的试件进行胶接维修测试。
根据本发明的另一方面，提供了一种采用上述表面处理工艺处理得到的碳纤维复合材料。该复合材料采用上述工艺处理得到，因而其表面无过多的树脂或污物附着，材料表面和内部的碳纤维均无损伤，材料内部的树脂无损伤，且该复合材料具有成本低廉的优点。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述碳纤维复合材料在航空航天领域、汽车领域或体育用品领域中的应用。
上述“航空航天领域”包括航空设备、航空设备中所用的机械部件、航天设备和航天设备中所用的机械部件。航空设备是指应用于航空领域的各种设备，例如飞机或无人机等。航天设备是指应用于航天领域的各种设备，例如火箭、人造卫星或空间探测器等。
根据本发明的另一方面，提供了一种航空航天部件或汽车部件，包括上述碳纤维复合材料，或，航空航天设备、汽车或体育用品，包括上述碳纤维复合材料。该航空航天部件、汽车部件、航空航天设备、汽车或体育用品包括上述碳纤维复合材料，因而具有力学性能好和使用寿命长的优点。
上述“航空航天部件”是指航空设备或航天设备中所用的机械部件。航空设备是指应用于航空领域的各种设备，例如飞机或无人机等。航天设备是指应用于航天领域的各种设备，例如火箭、人造卫星或空间探测器等。
上述“汽车部件”是指组成汽车的各种部件，例如发动机、底盘或车身等。
上述航空航天部件或汽车部件中也包括一些压力容器，指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，例如空气压缩机、冷却器、缓冲器、油水分离器、贮气罐、蒸发器或液体冷却剂贮罐等。
上述“体育用品”是指在进行体育教育、竞技运动和身体锻炼的过程中所使用到的所有物品的统称，例如球拍、棋牌桌、足球、篮球、保龄球、网球、乒乓球、单杠、双杠、秋千、跷跷板、跑步机、踏步机、臂力器、防护眼镜、运动手套、帐篷或登山包等。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1-3
一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，分别采用能量密度为1.07J/cm2、1.25J/cm2和1.43J/cm2的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理；
实施例1-3中，激光的功率分别为12W、14W和16W，激光的频率为100kHz，光斑直径为119μm，激光的波长为1064nm，激光的脉冲宽度为200ns，激光的扫描速度为800mm/s，激光的扫描次数为5次，激光的离焦量为4mm。
实施例4-5
一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，与实施例2不同的是，能量密度为1.25J/cm2激光的扫描速度分别为700mm/s和900mm/s，扫描次数5次。
实施例6-7
一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，与实施例2不同的是，激光的扫描次数分别为3次和7次。
对比例1-2
一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，与实施例1不同的是，对比例1-2中激光的能量密度分别为0.8J/cm2和1.5J/cm2。
对比例3
一种碳纤维复合材料的表面处理工艺：采用120目砂纸打磨碳纤维复合材料试样表面，砂纸固定在打磨盘上，将试样均匀压在砂纸上，给予适当压力，单向打磨直至试样表面产生轻度划痕，试样再调转90°继续打磨，直到表面划痕磨去，纤维暴露，表面均匀一致；在超声波清洗机内清洗样品。
对比例4
碳纤维复合材料，不做任何处理表面。
需要说明的是，以上各实施例和各对比例中的碳纤维复合材料是PAN基碳纤维与环氧树脂制备的复合材料，碳纤维为连续型长纤、低于12K的小丝束，环氧树脂为高韧性、高玻璃化转变温度(Tg＞180℃)的进口树脂。除实施例3外，其余各实施例和对比例所用的激光器为IPG YLP-20W型调Q红外光纤激光器(IPG Photonics公司生产)，该激光器的技术参数如表1所示。
表1
分别对采用以上各实施例和各对比例中的表面处理工艺处理得到的碳纤维复合材料进行胶接维修测试，包括：
胶接：在胶黏剂中加入少量0.2mm玻璃珠搅拌均匀，将调配好的胶黏剂均匀涂抹于各碳纤维复合材料试样表面，两个搭接区域紧密相连，由于胶黏剂在固化前具有一定的流动性，因此在涂胶时还应用夹持工具将试样固定，以保证搭接区域无错位或胶黏剂流失。然后根据GB/T 3355-2014《聚合物基复合材料纵横剪切试验方法》测试其剪切强度和剪切弹性模量。
测试结果见表2。
表2
组别 剪切强度(N) 剪切弹性模量(MPa)
实施例1 3984 12.55
实施例2 4654 14.66
实施例3 4473 14.01
实施例4 4483 14.12
实施例5 4206 12.10
实施例6 4171 13.14
实施例7 4794 15.10
对比例1 2584 8.14
对比例2 3844 12.10
对比例3 2343 7.38
对比例4 1663 5.24
图3(a)为未处理的碳纤维复合材料的SEM图，从图中可以看出，该复合材料表层覆盖有大量的树脂。图3(b)为采用实施例2中的工艺处理后所得的碳纤维复合材料，从图中可以看出，该复合材料表层树脂已被完全清除，且碳纤维保存完整，无烧蚀或断裂的情况。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料红外激光表面处理工艺，其特征在于，采用能量密度为0.9-1.5J/cm2的红外激光对碳纤维复合材料进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，红外激光的能量密度为1-1.3J/cm2。
3.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为10-16W，红外激光的频率为50-100kHz，光斑直径为50-120μm。
4.根据权利要求3所述的表面处理工艺，其特征在于，在对碳纤维复合材料进行表面处理时，满足以下条件中的至少一个：红外激光的功率为12W，红外激光的频率为100kHz，光斑直径为50μm。
5.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，红外激光的波长为1064nm；
优选地，红外激光的脉冲宽度为200ns。
6.根据权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，红外激光的扫描速度为700-1000mm/s；
优选地，红外激光的扫描次数为3-9次。
7.根据权利要求1-6任一项所述的表面处理工艺，其特征在于，红外激光的离焦量为0-5mm，优选为4mm。
8.采用权利要求1-7任一项所述的表面处理工艺处理得到的碳纤维复合材料。
9.权利要求8所述的碳纤维复合材料在航空航天领域、汽车领域或体育用品领域中的应用。
10.航空航天部件或汽车部件，其特征在于，包括权利要求8所述的碳纤维复合材料；
或，航空航天设备、汽车或体育用品，包括权利要求8所述的碳纤维复合材料。
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