CN112605067B - 一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，可解决纤维增强材料表面涂料去除易损伤基底以及激光清洗过程中难以实时判断清洗状况导致基底发生损伤的问题。具体步骤包括：将覆盖表面涂层的树脂基复合材料放置于合适的操作空间内；将树脂基复合材料置于合适厚度的液体层中，使溶液层覆盖树脂基复合材料表面涂层；确认清洗树脂基复合材料表面涂料时，纤维增强体刚发生损伤时表面涂料的温度；根据表面涂料和树脂成分设定合适的激光清洗参数；打开激光器，对树脂基复合材料的表面涂料进行清洗；确认阈值温度，并根据表面温度监控实时反馈来调节功率大小；高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使其脱离复合材料表面。
Description
技术领域
本发明涉及表面激光清洗技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法。
背景技术
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。
实际生产过程中，树脂基复合材料的树脂在紫外线照射下容易老化。为了延长材料的使用寿命，必须避免或延缓紫外线引起的老化。为了适用于不同的场合，会在树脂基复合材料表面刷涂不同功能的涂料，涂料损坏或者老化后需要剥离。树脂分解温度相对较低，激光作用于材料，当温度超过树脂的分解温度，会形成热影响区，且这种效应不可逆转。这导致纤维增强体的结构发生变化，其强度下降。并且由于纤维增强体修复技术不够成熟，整个树脂基复合材料将被丢弃。
现有的纤维增强体加工方法都会造成一定的热损伤，喷砂和抛光可以通过牺牲效率来减少热损伤。但这两种方法只能用于大型平面的加工，且成本极高。相比之下，激光加工是一种更好的方法。为减少热影响，采用紫外激光和飞秒激光是解决热影响问题的两种有效方法。但是紫外激光会造成树脂寿命降低，飞秒激光成本高，这阻碍了它们在工业上的应用。目前没有有效的方法清洗残留在树脂基复合材料的涂料，这限制了树脂基复合材料的应用。
激光清洗是利用激光与材料相互作用，产生蒸发、剥离、烧蚀和冲击波等效应，实现材料表面油渍、锈迹、氧化层、油漆等异物去除的方法。近年来，激光清洗开拓了广泛的应用领域。运用激光的物理特性清除污染物，资源二次利用，用于船舶的板材除锈以及弹药修理的除锈除漆等，清洗电子元器件和文物。激光清洗技术也可用于精密器械领域，例如去除光学玻璃的镜面油渍等。
与传统的机械清洗法和化学清洗法相比，激光清洗技术具有以下优点：(1)不与工件直接接触，可以远程清洗，不会对工件造成物理损坏；(2)可与数控技术结合，自动控制除锈过程，对选取区域除锈；(3)不会产生二次污染；(4)只消耗电能，降低使用成本；(5)不受工件表面形貌限制，能够准确定位清洗部位。
激光清洗技术也存在一定的缺点：(1)缺少实时监控手段，无法即时根据清洗效果调整清洗方案；(2)激光能量密度高，易损伤基材；(3)各方面实际清洗效率仍有不足，难以达到完好的清洗效果。
现有的湿式激光清洗方法中液体用于防止基底损伤，所清洗的污染物会被直接剥离，专利CN 110586580 A提出了一种湿式激光清洗装置及方法，这个实用新型是采用湿式激光清洗直接清洗待清洗基材，提出了一种控制液膜厚度的方法。本发明中，激光作用于涂覆液膜的树脂基复合材料表面涂料时，液膜带走热量，基底不会损伤的同时也无法直接剥离表面涂料，由于树脂的分解温度低于表面涂料，故采用高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使表面涂层跟随发生分解的树脂一起脱离复合材料表面。
专利CN 110586579 A提出了一种碳纤维复合材料激光清洗与表面改性复合加工的装置及方法，这个实用新型清洗的是碳纤维复合材料表面的树脂，本发明是清洗树脂基复合材料涂覆的表面涂料，会保留一定的树脂便于复合材料的修复。
现有的激光清洗往往存在最低功率阈值，选择的材料往往是污染物的烧蚀阈值远小于基底的损伤阈值的情况，但是在树脂基复合材料的清洗中，基底的损伤阈值低于污染物的烧蚀阈值。现有的激光清洗技术无法满足该需求。
发明内容
本发明提出的一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，可解决复合材料表面涂料老化、难以无损伤去除的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，包括以下步骤：
步骤一、将覆盖表面涂层的树脂基复合材料放置于合适的操作空间内，调节光学系统，使光束的光斑照射在材料表面附近；
步骤二、将树脂基复合材料置于合适厚度的水、液氮等液体层中，使水层或其他溶液层覆盖树脂基复合材料表面涂层；
步骤三、确认清洗树脂基复合材料表面涂料时，纤维增强体刚发生损伤时表面涂料的温度；
步骤四、根据表面涂料和树脂成分设定合适的激光清洗参数；
步骤五、打开激光器，对树脂基复合材料的表面涂料进行扫描，烧蚀基底表面树脂，使得油漆脱离；
步骤六、确认阈值温度，并根据表面温度监控实时反馈来调节功率大小；
步骤七、高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使其脱离复合材料表面。
其中，
步骤一中的树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体，树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂，常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。
步骤一中的激光光斑可根据需求进行调节。
步骤二中的液体可将清洗过程的温度控制在一定范围内，防止热累积损伤基底同时便于表面温度测量。
步骤二中的液体层厚度0.1-10mm，可采用包括水、液氮等在内的多种溶液，可通过液膜喷射装置喷涂液膜，也可以将覆盖表面涂料的树脂基复合材料置于水槽中，使其达到所要求的厚度。
步骤三中的确认清洗树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度可通过实验或者模拟来实现，具体来讲：实验可将激光清洗后树脂基复合材料表面涂料的不同温度测量结果与其对应的树脂基复合材料基底状况做对比，寻找合适的温度；模拟可模拟不同情况下的热分布状况，寻找树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度。
步骤四中的激光清洗参数包括但不局限于：激光的平均功率，调整范围为0W-5000W；激光脉冲重复频率，调整范围为1-100kHz；激光脉冲宽度，调整范围为10fs-1000ns；激光清洗效率为0-100m2/min；清洗次数为1-100次。
步骤六中的测温装置可采用红外热像仪等，接触式非接触式均可。
步骤六中的阈值温度为树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度或略低于树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度。
步骤六中的激光功率可以控制样品表面温度在一定范围以内，该安全功率范围较大且存在自适应空间。
步骤七中的高压液流在激光清洗后0-10min内，喷射树脂基复合材料表面的涂层，使其脱离材料表面。
由上述技术方案可知，本发明的一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，基于树脂和涂料热重性质的差异，通过液体层保护基底、高能激光提供能量、树脂层分解和高压液流剥离表面涂料等过程实现树脂基复合材料表面高效无损伤的激光清洗。具体步骤包括：将覆盖表面涂层的树脂基复合材料放置于合适的操作空间内，调节光学系统，使光束的光斑照射在材料表面附近；将树脂基复合材料置于合适厚度的水、液氮等液体层中，使水层或其他溶液层覆盖树脂基复合材料表面涂层；根据表面涂料和树脂成分设定合适的激光清洗参数；打开激光器，对树脂基复合材料的表面涂料进行清洗；高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使其脱离复合材料表面。本发明可以解决树脂基复合材料表面涂料老化速度快难以清洗、复合材料修补成本高的工业难题。
本发明建立了新的模型，见图3。这个模型的基本原理是分解树脂基复合材料的树脂而不是复合材料表面的涂料。这个模型由三个部分组成。基材是树脂基复合材料，污染物是表面涂料，冷却液体及时带走热量。图3为三阶段热模型。在第一阶段，激光穿过冷却液体，作用在涂料表面。通过涂料和树脂吸收一些能量，激光被纤维增强体反射。反射的能量返回到涂料中，以提高涂料和基材表面树脂的温度。这一阶段遵循热传递方程。在第二阶段，冷却液体降低了涂料的温度，传热的方向是从纤维增强体到冷却液体。在此期间，模型的温度在树脂的分解温度附近。这样，树脂基复合材料中的部分树脂被分解。在第三阶段，激光作用后，涂料和树脂基复合材料发生分离。
本发明采用振镜清洗式激光加工系统，对树脂基复合材料表面涂料进行激光清洗。清洗时不但效率高、污染小、易自动化控制，而且复合材料表面保留了一定的树脂，表面涂料完全清洗干净，实现了无损伤清洗。
具体的说，本发明包括以下优点：
(1)清洗过程不需要任何酸碱试剂，对环境的污染很低；
(2)清洗效率高，易自动化控制，适用于工业化生产；
(3)清洗后表面保留了树脂层且涂料完全去除，实现了无损伤清洗。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是树脂基复合材料表面涂料的激光清洗系统示意图，包括有水槽、无水槽两种情况：(a)无水槽；(b)有水槽；其中：1.激光器；2.光源控制系统，用于调节功率、脉宽、重复频率等；3.光束调节系统，用于调节光斑大小、形状、移动速度等，可装载手持头或者机器人系统，改变光束运动轨迹；4.激光光束；5.液膜喷射装置；6水槽；7.水膜；8.待清洗材料；9.高压水流产生装置；10.温度监控装置。
图3是本发明的模型图。
图4是实施例中采用不同的激光功率清洗CFRP表面涂料时，CRPR表面温度随功率变化的点线图。
图5是实施例中激光清洗后表面温度为36.2℃时碳纤维增强基复合材料清洗后的扫描电子显微镜图像。
图6是实施例中激光清洗后表面温度为40.2℃时碳纤维增强基复合材料清洗后的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
实施例提供一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，步骤包括：将覆盖表面涂层的树脂基复合材料放置于合适的操作空间内，调节光学系统，使光束的光斑照射在材料表面附近；将树脂基复合材料置于合适厚度的水、液氮等液体层中，使水层或其他溶液层覆盖树脂基复合材料表面涂层；确认清洗树脂基复合材料表面涂料时，纤维增强体刚发生损伤时表面涂料的温度；根据表面涂料和树脂成分设定合适的激光清洗参数；打开激光器，对树脂基复合材料的表面涂料进行清洗；确认阈值温度，并根据表面温度监控实时反馈来调节功率大小；高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使其脱离复合材料表面。
对于步骤一中的树脂基复合材料，我们采用的样品是T300 CFRP，厚度为3mm，6层碳纤维布。CFRP中使用的树脂为环氧树脂，使用的油漆是聚氨酯，油漆厚度为0.2mm。用喷枪将油漆喷到样品表面，油漆厚度为0.2mm，由电子天平控制。每个样品自然风干一个多星期。样品表面经过激光处理后，用高压水枪去除油漆。改变激光参数做了多次实验，确认了清洗树脂基复合材料表面涂料时，纤维增强体刚发生损伤时表面涂料的温度为45℃，设定阈值温度为43℃最佳清洗范围为36℃-43℃。利用红外热像仪测CFRP表面涂料的温度，控制表面温度为36.2℃、40.2℃，通过扫描电子显微镜图样可以判断基底并未损伤，如图4，5所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一、将覆盖表面涂层的树脂基复合材料放置于合适的操作空间内，调节光学系统，使光束的光斑照射在材料表面附近；
步骤二、将树脂基复合材料置于合适厚度的水、液氮中，使水或液氮覆盖树脂基复合材料表面涂层；
步骤三、确认清洗树脂基复合材料表面涂料时，纤维增强体刚发生损伤时表面涂料的温度；
步骤四、根据表面涂料和树脂成分设定合适的激光清洗参数；
步骤五、打开激光器，对树脂基复合材料的表面涂料进行扫描，烧蚀基底表面树脂，使得油漆脱离；
步骤六、确认阈值温度，阈值温度为树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度或略低于树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度，并根据表面温度监控实时反馈来调节功率大小；利用红外热像仪测树脂基复合材料表面涂料的温度；
步骤七、高压液流喷射树脂基复合材料表面的涂层使其脱离复合材料表面；
其中，步骤一中的树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料；
步骤二中的水或液氮的层厚度0.1～10mm；
步骤三中的确认清洗树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度通过实验或者模拟来实现，具体实验将激光清洗后树脂基复合材料表面涂料的不同温度测量结果与其对应的树脂基复合材料基底状况做对比，寻找合适的温度；模拟不同情况下的热分布状况，寻找树脂基复合材料的纤维增强体达到损伤时表面涂料的温度；
步骤四中的激光清洗参数包括激光的平均功率，调整范围为0W～5000W；
激光脉冲重复频率，调整范围为1～100kHz；
激光脉冲宽度，调整范围为10fs～1000ns；
激光清洗效率为0～100m2/min；清洗次数为1～100次。
2.根据权利要求1所述的树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，其特征在于：步骤一中激光光斑根据需求进行调节。
3.根据权利要求2所述的树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，其特征在于：步骤二中的水或液氮将清洗过程的温度控制在一定范围内，防止热累积损伤基底同时便于表面温度测量。
4.根据权利要求3所述的树脂基复合材料表面涂料的激光清洗方法，其特征在于：步骤七中的高压液流在激光清洗后0～10min内，喷射树脂基复合材料表面的涂层，使其脱离材料表面。
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