Effect of atmospheric pressure plasma modification on surface temperature and Mode-I fracture toughness of carbon fiber reinforced polymer
-
摘要:
常压等离子改性被广泛应用于改善碳纤维复合材料(CFRP)的胶接性能，然而等离子改性过程会造成CFRP表面温度升高，导致热变形、热内应力甚至破坏基材，因此需要进一步优化工艺参数，获得满足工程使用要求的等离子改性效果。本文采用空气作为常压等离子的气源，测试了不同等离子改性参数下CFRP表面的温度，建立了表面温度与喷嘴高度、扫描速度之间的函数关系，实现了准确的表面温度预测(均方根误差2.7℃，最大偏差5.4℃)，并进一步优化了等离子改性的扫描路径，以减少改性过程中热量的累积效应。结合等离子改性对CFRP胶接性能的测试结果，最终确定了满足表面处理温度小于150℃条件下等离子改性的最佳工艺参数：喷嘴高度16 mm，扫描速度45 mm/s，扫描间距16 mm。此时，CFRP表面温度为143.9℃，I型断裂韧性提升至425 J/m2 (相比原始状态提升约534.3%)，失效模式由界面改善为混合失效。该研究结果旨在找到表面温度与性能提升的最佳等离子改性工艺参数，对于等离子改性工艺在CFRP中的工程应用具有重要参考价值。
Abstract:Atmospheric pressure plasma modification has been commonly applied to improving the adhesive bonding performance of carbon fiber reinforced polymer (CFRP). However, plasma modification generally induces a high temperature on material surface, and causes thermal deformation, internal stress, and even damage to the CFRP. Therefore, it is necessary to further optimize the process parameters of plasma modification effects to meet the requirements of engineering application. This article uses air as the source of atmospheric pressure plasma to study surface temperature of CFRP under different process parameters. The functional relationship was established between surface temperature, nozzle height, and scanning speed, achieving accurate prediction for plasma-induced surface temperature (root mean square error of 2.7℃, maximum deviation of 5.4℃). Then, the scanning path of plasma modification was further optimized to reduce the cumulative effect of heat during the modification process. Based on the test results of plasma modification on the bonding performance of CFRP, the optimal process parameters were determined for plasma modification to control the surface treatment temperature less than 150℃, i.e., a nozzle height of 16 mm, a scanning speed of 45 mm/s, and a scanning spacing of 16 mm, where the surface temperature of CFRP is measured as 143.9℃. Consequently, the Mode-I fracture toughness is increased to 425 J/m2 (approximately 534.3% higher than the original state), and the failure mode is improved from interface to mixed failure. The research results aim to find the optimal process of parameters plasma modification with consideration of surface temperature and adhesive bonding performance, which provides valuable and practical information to the engineering application of plasma modification processes for CFRP materials.
-
Keywords:
- plasma /
- surface modification /
- CFRP /
- temperature /
- bonding performance
-
纤维增强树脂复合材料拥有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、吸波隐身等优异性能，在航空航天、军工、汽车、化工及电子等先进工业领域得到广泛应用[1-4]。按树脂基体性质可以将纤维增强树脂复合材料分为两大类，即热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；相较而言，热塑性树脂基复合材料具有：(1)韧性好，疲劳强度高，冲击损伤容限高；(2)预浸料和热塑性树脂存储没有期限要求；(3)热成型工艺性好，成型周期短，生产效率高；(4)边角料或废料可再熔融成型或回收利用，环境友好[5]。因此，热塑性树脂基复合材料随着工业技术发展越来越受到青睐。以聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚酰亚胺(PEI)等为代表的高性能热塑性树脂基复合材料的出现，为航空航天结构材料选材提供了富有竞争性的解决方案，且随着产品线的延伸和技术成熟度的不断提高，高性能热塑性树脂基复合材料在航空航天结构材料体系中的地位越来越重要，并逐渐打破以环氧树脂及双马来酰亚胺树脂等为代表的传统热固性树脂基复合材料的垄断地位。
航空航天结构大而复杂，在制造和装配时需要通过连接技术将不同的部件连接在一起来实现，因此需要可靠、自动化和经济的连接技术。机械连接是目前航空结构的主要连接方法，具有制造工艺简单、厚度方向起到增强作用和便于拆装等优点；但也引入许多问题，特别是钻孔存在应力集中、孔边分层、纤维损伤、重量增加和热膨胀系数不匹配等问题[6-7]。胶接连接使连接应力集中最小化，具有优越的抗疲劳性能，但胶接需要严格的表面处理，对污染和环境非常敏感(如粉尘、水分和加工油污等)，胶粘剂有存储寿命、胶接工艺复杂和周期长等问题[8]。热塑性树脂基复合材料具有可焊性，其焊接工艺已被认为是热塑性树脂基复合材料连接的有效替代技术，利用热塑性树脂基复合材料焊接可以在很大程度上消除这些问题。最具潜力的焊接方法主要有超声波焊接[9]、感应焊[10]、电阻焊[11]和激光焊[12]等。
热塑性树脂基复合材料焊接在国外已经有较长的研究历程，且相应成果已经成功应用于民用客机及战斗机结构中[2]，而国内热塑性树脂基复合材料的制造及相应技术尚处于起步阶段[13]。因此，本文针对航空结构用碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)热塑性复合材料，采用CF/PPS复合材料混编织物电阻元件对其织物层压板进行电阻焊接；电流、压力和加热时间是电阻焊接的重要工艺参数，采用正交实验、Taguchi方法和方差分析(ANOVA)研究分析CF/PPS热塑性复合材料电阻焊接最佳工艺参数和其对接头强度的影响，同时对其焊接接头单搭接剪切强度和断口进行测试分析，获取其失效机制。该方法也是热塑性树脂基复合材料焊接技术的有益探索。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料层压板是利用加拿大Barrday公司提供的AS4 3K 5HS CF织物/PPS树脂预浸料在XLB-660.660.3型平板硫化机上热压成型；热压工艺为：温度为320℃±10℃，保温时间为30 min，压力为2 MPa，冷却速率为5℃/min，压制过程排气两次；试板铺层结构为[0]8，试板厚度为2 mm，CF体积分数约为54vol%。AS4 3K 5HS CF/PPS复合材料混编织物的混编方式如图1所示，PPS树脂薄膜由日本东丽公司提供，PPS树脂膜厚度为50 μm。
![]()
图 1 碳纤维/聚苯硫醚（CF/PPS）复合材料混编织物Figure 1. Carbon fiber/polyphenylene sulfide (CF/PPS) composite mixed woven fabric1.2 电阻焊接装置
采用中国民航大学自主研制的复合材料焊接设备(CAUC-CW100)，如图2所示，该设备能进行多种形式电载荷施加(直流、交流和脉冲电流)，采用伺服电子压力缸进行多段恒位移或压力压装控制，数据采集器可进行焊接件的焊接接头温度、压力和位移变化的信息实时采集等功能。
电阻焊接：利用CF电热特性，在试样的焊接表面放置CF混编织物，并在焊接件上下焊接表面放置PPS树脂薄膜，CF在电热作用时产生焦耳热，熔融被焊接的焊接表面及PPS树脂薄膜，并在压力作用下形成焊接接头。在焊缝中间布置K型伯劳焊点热电偶，对焊缝温度检测，焊接示意图及尺寸如图3所示。
![]()
图 3 CF/PPS复合材料单搭接焊接示意图Figure 3. Schematic diagram of single lap welding of CF/PPS composite laminate1.3 Taguchi方法和实验设计
Taguchi方法是以正交表为基础来获取可得到CF/PPS复合材料层板焊接质量的优化工艺方案，与传统正交实验相比，该方法利用信噪比(S/N)来衡量指标的波动[14-16]。本研究质量特性为CF/PPS复合材料层板电阻焊接单搭接的剪切强度，3个关键焊接工艺参数即电流、压力和焊接时间作为因素，基于相同比例给出水平变化，如表1所示；因此优化目标即是获得最大的信噪比。CF/PPS复合材料层板电阻焊接剪切强度属于越大越优的质量指标，其信噪比公式为[11]
表 1 因素和水平Table 1. Factors and levelsParameters Levels 1 2 3 4 Factor A（Current/A） 8 10 12 14 Factor B（Pressure/MPa） 0.5 1.0 1.5 2.0 Factor C（Time/min） 10 20 30 40 η=−10lg[1nn∑i=11Xi2] (1) 式中：η是CF/PPS复合材料层板电阻焊接质量特性，即信噪比(dB)；Xi是第i个CF/PPS复合材料层板电阻焊接试样剪切强度(MPa)；n是每组试验中的重复数(本研究n=6)。
设计L16实验，得到各次CF/PPS复合材料层板电阻焊接实验的焊接剪切强度，然后利用式(1)计算出各次实验的信噪比，结果如表2所示。
表 2 CF/PPS复合材料层板的正交实验参数及结果Table 2. Input parameters of orthogonal arrays and performance characteristics of CF/PPS composite laminatesExpt.run Factor Performance Current
A/APressure
B/MPaTime
C/minLSS/MPa η 1 8 0.5 10 3.68 11.32 2 8 1.0 20 5.34 14.55 3 8 1.5 30 6.86 16.73 4 8 2.0 40 5.37 14.60 5 10 0.5 20 9.02 19.10 6 10 1.0 10 8.65 18.74 7 10 1.5 40 12.46 21.91 8 10 2.0 30 10.34 20.29 9 12 0.5 30 13.05 22.31 10 12 1.0 40 16.78 24.50 11 12 1.5 10 14.28 23.09 12 12 2.0 20 12.15 21.69 13 14 0.5 40 7.49 17.49 14 14 1.0 30 9.65 19.69 15 14 1.5 20 9.84 19.86 16 14 2.0 10 7.51 17.51 Average η 18.96 Notes: LSS—Lap shear strength; η—Signal to noise ratio. 同时，采用方差分析(ANOVA)来获取CF/PPS热塑性复合材料层板电阻焊接各个工艺参数对其剪切强度影响的贡献度。
1.4 焊接接头力学性能测试
参考ASTM D1002—10标准[17]，采用Instron5982电子万能材料试验机对CF/PPS复合材料层板焊接的单搭接剪切强度(LSS)进行测试，试验件尺寸如图4所示。
剪切强度τ(MPa)
计算如下： τ=Fmax (2) 式中：L为搭接长度(mm)；b为搭接宽度(mm)；Fmax为最大拉伸力(N)。
1.5 剪切断口分析
采用激光共聚焦显微镜(OLYMPUS 4100)和SEM(Quanta FEG250)对Taguchi方法优化最佳焊接参数的焊接试样(记为H-LSS)和本实验方案中较低剪切强度试样(记为L-LSS)的截面形貌和剪切测试断口形貌进行观察，分析焊缝结构、铺展形态及其失效形式和机制。
2. 结果与讨论
2.1 CF/PPS复合材料的焊接
图5为CF/PPS复合材料电阻焊接控制过程。可知，CF/PPS复合材料电阻焊接控制过程主要为五个阶段。第Ⅰ阶段：通电，以一定速率增加电流强度，CF/PPS复合材料混编织物电热作用产生的焦耳热也随之增加，PPS膜及焊接件表面受热软化变形，达到PPS树脂热熔温度(Tm)；第Ⅱ阶段：初始压紧(预压力Ps)，释放焊接件焊接界面与CF/PPS复合材料混编织物间的间隙，保证受热均匀；第Ⅲ阶段：增加焊接压力(达到额定压力Pm)，保持恒温恒压，焊接件的焊接界面及PPS膜热熔，在压力作用下热塑性树脂流动，分子链热运动和扩散缠结；第Ⅳ阶段：调节电流以一定冷却速率(Tf，本实验Tf≈5℃/min)冷却，固化；第Ⅴ阶段：采用压缩空气冷却，焊接接头热收缩，完成焊接。在第Ⅱ和第Ⅲ阶段施加压力时会出现温度小幅度迅速升高后降低，这是由于施加压力使焊缝紧密，焦耳热集聚增加，随后在热传导和热扩散作用下又缓慢减小，同时压力也增大，这是由于高温使焊接接头自由体积膨胀。依据表2焊接参数完成试样焊接，如图6所示，CF/PPS复合材料层板焊接接头无明显变形。
![]()
图 5 CF/PPS复合材料电阻焊接控制过程Figure 5. Resistance welding control process of CF/PPS composites (Tm—PPS hot melt temperature; Ps—Pre-pressure during welding; Pm—Rated pressure during welding; Tf—Cooling rate; RT—Room temperature; t1—Temperature rise time of resistance welding; t2—Pre-pressure time; t 3—Constant temperature and pressure time; t4—Cooling time at Tf rate; t5—Natural cooling time)2.2 CF/PPS复合材料的工艺参数优化与性能预测
预测CF/PPS复合材料层板电阻焊接工艺参数最优组合需要计算各个因素的信噪比均值，计算如下：
{m_{fi}} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^n {{\eta _i}} (3) 式中：f是因素；i是水平；N是实验次数；η是信噪比。
利用式(3)计算得到各因素的信噪比，比较得到该因素下的最大值是该因素的主效应，所有因素都取主效应即是预测的最优组合。CF/PPS复合材料电阻焊接工艺参数主效应图如图7所示。
![]()
图 7 CF/PPS复合材料电阻焊接工艺参数主效应图Figure 7. Main effect diagram of process parameters of CF/PPS composite resistance welding可以看出，随着焊接电流、压力和焊接时间的增加，CF/PPS复合材料层板电阻焊接单搭接剪切强度均呈先增大后减小的变化趋势，获得最优焊接参数水平为A3、B3、C3 (即电流为12 A，压力为1.5 MPa，时间为30 min)，其信噪比为[11]
{\eta _{\rm A3B3C3}} = m + ({m_{\rm A3}} - m) + ({m_{\rm B3}} - m) + ({m_{\rm C3}} - m) (4) 式中：ηA3B3C3为优化因素水平的预测信噪比；m为总体信噪比均值；mA3、mB3、mC3分别为因素的主效应。
由式(1)、式(3)、式(4)可得，预测最优因素水平焊接参数的CF/PPS复合材料层板电阻焊接单搭接剪切强度为18.07 MPa，同时用实验对预测结果进行验证，采用预测最优化焊接参数焊接CF/PPS复合材料单搭接试样，并测试了其剪切强度，如表3所示，可以看出，CF/PPS复合材料单搭接试样剪切强度均值为17.88 MPa，Taguchi方法预测剪切强度和实验测试剪切强度非常接近，表明Taguchi方法可有效应用到热塑性树脂基复合材料焊接工艺参数优化中。
表 3 CF/PPS复合材料Taguchi方法预测最优因子水平、焊接接头剪切强度和实验验证结果Table 3. Taguchi method for predicting optimal factor level, weld joint shear strength and experimental verification results of CF/PPS compositesFactor A Factor B Factor C Optimal parameter 12 1.5 30 Taguchi method predicted optimum shear strength/MPa 18.07 Verification experiment results shear strength/MPa 17.88 为了更准确地研究各焊接工艺参数对CF/PPS热塑性复合材料层压板焊接接头质量影响的大小，对表2中信噪比(S/N)进行方差分析，如表4所示。可以看出，各参数方差均值和贡献分数表明焊接电流强度为CF/PPS热塑性复合材料焊接剪切强度的最主要影响因素，其贡献值为83.37%，压力其次，贡献值为9.55%，时间贡献值为6.02%。同时所有参数均具有90%以上的置信度。
表 4 CF/PPS复合材料层压板焊接接头信噪比方差分析Table 4. Analysis of variance of signal-to-noise ratio of CF/PPS composite laminate welded jointsANOVA-Signal-to-noise ratio values Process parameters Level mean value SS df Variance F Sig. P Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Factor A（Current） 14.30 20.01 22.90 18.64 153.704 3 51.235 156.957 0 83.37 Factor B（Pressure） 17.56 19.37 20.40 18.52 17.600 3 5.867 17.972 0.02 9.55 Factor C（Time） 17.67 18.80 19.75 19.62 11.107 3 3.702 11.343 0.05 6.02 Errors – – – – 1.959 6 0.326 – – 1.06 Total – – – – 184.370 15 – – – 100.00 Notes: SS—Sum of squares of mean deviation; df—Degrees of freedom; F—F statistics; Sig.—Significance; P—Probability. 2.3 CF/PPS复合材料电阻焊接剪切断口的微观形貌
图8和图9为H-LSS和L-LSS两类试样的截面形貌和剪切断口形貌。
![]()
图 8 CF/PPS复合材料电阻焊接接头截面形貌Figure 8. Cross-sectional morphology of CF/PPS composite resistance welded joints![]()
图 9 CF/PPS复合材料电阻焊接单搭接剪切断口形貌Figure 9. Shear fracture morphology of CF/PPS composite resistance welding single lap从图8可以看出，最佳焊接工艺参数焊接的H-LSS试样焊接接头中CF/PPS复合材料混编织物、PPS膜及接层板紧密结合，焊缝中无空隙及脱黏区域等缺陷，CF/PPS复合材料混编织物很好地植入到焊接层板结合界面，且PPS膜和层板PPS基体很好地融合、扩渗及结合。而L-LSS试样的焊缝中存在空隙，CF/PPS复合材料混编织物中CF和PPS树脂的浸润较差，有大量裸纤维存在，表明其焊缝结合较差。
由图9 可以看出，植入的CF/PPS复合材料混编织物断裂，焊接层板的焊接界面也有纤维拔出和断裂，表明焊接接头在剪切力作用时，CF/PPS复合材料混编织物起到了焊缝增强相作用，且与焊接层板很好地结合，是典型复合材料层板层间失效断裂破坏模式，即焊接层板和CF/PPS复合材料混编织物都受损失效。H-LSS试样中植入的CF/PPS复合材料混编织物的纤维断裂平齐，纤维上黏附大量树脂，与之对应黏结的层板表面树脂基体在纤维拔出后出现明显破碎和塑性变形，证明CF/PPS复合材料混编织物、PPS膜及层板焊接界面间树脂与纤维充分浸润、扩渗链接和结合，保证了力的有效传递。而 L-LSS试样在剪切力作用下焊接接头失效形式为CF/PPS复合材料混编织物与焊接层板界面脱黏失效，即CF/PPS复合材料混编织物和被焊接层板的焊接界面胶层脱黏。这是由于在该工艺参数下树脂和纤维的浸润差，焊缝区域边缘处有部分PPS膜未完全熔化，焊缝区域存在大量空隙和裸纤维(如图8 中L-LSS试样)，在剪切力作用下诱发裂纹产生，导致接头性能较低；由图9 也可看出，L-LSS试样中CF/PPS复合材料混编织物的纤维与树脂的浸润和包裹较差，拔出纤维上树脂附着很少且不均匀，与之黏接的层板树脂基体上有明显纤维压痕，在剪切力作用下，CF/PPS复合材料混编织物中的纤维拔出，而层板树脂无明显形变，表明其结合强度较弱，剪切强度低。
由上述实验结果及分析可知，CF/PPS复合材料层板电阻焊接工艺参数(电流、压力和时间)的变化直接影响着焊接接头的性能。随着电流强度的增加，焊接接头剪切强度呈先增大后减小的趋势，这是由于在较低电流时，CF混编织物电阻元件电热作用产生的焦耳热不足以充分软化和熔化PPS树脂，使焊缝处树脂扩渗和黏接不够充分，导致焊接接头剪切强度低；在较大电流时，CF电阻元件产生足够的焦耳热，使被焊接件的焊接界面充分均匀受热，PPS树脂充分受热软化、流动、扩渗和熔融胶接，使焊接接头剪切强度增大。但电流强度过大，产生热量过大，会使PPS树脂产生分子链断裂、热降解和烧蚀变性等不良影响[7]，使焊接接头性能下降。CF/PPS复合材料层板电阻焊接需要一定的压力，由于熔融态PPS黏度较大，且流动困难，其流动是若干分子链段运动推动另一部分分子链段再运动并形成整个大分子重心移动[18]，因此焊接压力是热塑性树脂基复合材料焊接的重要因素之一，压力过低时，不足以使受热软化和熔融的树脂充分流动与纤维浸润，无法排除焊缝中的气体，会增加焊缝中空隙等缺陷[19-20]；而压力过高，会使焊缝软化和热熔树脂挤压排出，使焊缝的树脂含量过低，从而影响焊缝的有效黏接，因此，焊接压力过高或过低都会导致其剪切强度减小。焊接时间为电流流经CF混编织物电阻元件产生热量持续的过程，保证焊接接头所需热量，其对焊接接头性能的影响与焊接压力类似，焊接时间短，会引起树脂流动、扩渗和浸润不充分；焊接时间过长会导致焊接件的焊接界面树脂热解和烧蚀，同时引起焊接接头整体软化及纤维排布变形，使剪切强度减小。
3. 结 论
对航空结构用碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)热塑性复合材料层压板，通过植入CF/PPS复合材料混编织物电阻元件进行电阻焊接技术研究。
(1)采用植入CF/PPS复合材料混编织物电阻元件对CF/PPS复合材料层板进行电阻焊接，工艺简单，设备成本低，焊接接头无异质材料引入，无明显应力集中。
(2) Taguchi方法可用于CF/PPS复合材料电阻焊接工艺参数设计和优化分析中，优化预测得到最佳焊接工艺参数为：电流为12 A，压力为1.5 MPa，时间为30 min，剪切强度为18.07 MPa；采用该参数验证CF/PPS复合材料层板焊接剪切强度为17.88 MPa，与其预测结果相近。方差分析得到CF/PPS复合材料层压板电阻焊接工艺参数电流贡献率最高，为83.37%，其次是压力，为9.55%，时间贡献率为6.02%。
(3) CF/PPS复合材料层压板电阻焊接接头横截面和剪切断口观察分析表明，最佳参数焊接试样(H-LSS)焊接接头界面结合良好，CF/PPS复合材料混编织物很好融合进焊缝，主要剪切失效形式为层间失效。较低剪切强度试样(L-LSS)焊接接头失效形式主要为界面脱黏失效。
(4)电阻焊接技术可以推广于商业和工业任何类型热塑性树脂基复合材料的连接。
-
![]()
图 1 等离子改性碳纤维复合材料(CFRP)表面
Figure 1. Plasma treated carbon fiber reinforced plastic (CFRP) surface
![]()
图 2 等离子喷嘴相对于试样表面的运动轨迹
Figure 2. Motion trajectory of the plasma nozzle relative to the surface of the sample
L—Scanning line spacing
![]()
图 3 红外热像仪测量碳纤维复合材料表面温度
Figure 3. Measurement of surface temperature of carbon fiber composite materials using infrared thermal imager
![]()
图 4 等离子改性温度测试区域示意图
Figure 4. Schematic diagram of plasma treatment temperature testing area
![]()
图 5 双悬臂梁(DCB)胶接试样制样工艺流程图
Figure 5. Double cantilever beam (DCB) adhesive sample preparation process flowchart
![]()
图 6 DCB胶接接头示意图
Figure 6. Schematic diagram of DCB adhesive joint
b—Width of DCB specimen; a0—Initial delamination length; h—Thickness of DCB specimen; l—Length of DCB specimen
![]()
图 8 DCB测试平台：(a)实验设备；(b) DIC成像画面
Figure 8. DCB testing platform: (a) Experimental equipment; (b) DIC imaging screen
![]()
图 9 碳纤维复合材料表面温度随等离子工艺参数的变化：(a)表面温度随喷嘴高度的变化；(b)表面温度随扫描速度的变化
Figure 9. Variation of surface temperature of carbon fiber composite materials with plasma treatment parameters: (a) Variation of treatment temperature with nozzle height; (b) Variation of treatment temperature with scanning speed
![]()
图 10 实验测得碳纤维复合材料表面温度与多项式拟合结果对比
Figure 10. Comparison of experimental measurement and polynomial fitting values of CFRP materials
![]()
图 11 16 mm喷嘴高度不同扫描速度下处理温度
Figure 11. Processing temperature at different scanning speeds with 16 mm nozzle height
Texp—Experimental test temperature; Tcal—Calculated temperature
![]()
图 12 等离子改性温度测试区域示意图
Figure 12. Schematic diagram of plasma treatment temperature testing area
![]()
图 13 不同行间距下测试温度随测试区域的变化
Figure 13. Variation of testing temperature with different line spacing in the testing area
![]()
图 14 等离子表面处理路径优化示意图
Figure 14. Schematic diagram of plasma surface treatment path optimization
![]()
图 15 碳纤维复合材料表面物理形貌(SEM)：(a)对照组；(b) P16-16-15
Figure 15. Surface physical morphology (SEM) of carbon fiber composite materials: (a) Control group; (b) P16-16-15
![]()
图 16 等离子体处理前后 CFRP 试样表面 XPS 图谱
Figure 16. Surface XPS spectra of CFRP specimens before and after plasma treatment
![]()
图 17 等离子体处理前后 CFRP 试样表面 XPS 图谱
Figure 17. Surface XPS spectra of CFRP specimens before and after plasma treatment
![]()
图 18 不同等离子改性参数下CFRP 胶接接头Ⅰ型层间断裂韧性GIc测试结果
Figure 18. Mode I interlaminar fracture toughness GIc test results of CFRP adhesive joint under different plasma treatment parameters
![]()
图 20 失效表面光学显微镜观察结果：(a)对照组；(b) P16-16-15；(c) P16-16-35；(d) P16-16-55
Figure 20. Observation results of failure surface under optical microscope: (a) Control group; (b) P16-16-15; (c) P16-16-35; (d) P16-16-55
表 1 等离子改性正交实验因素水平表
Table 1 Horizontal table of orthogonal experimental factors for plasma treatment
Level Factor H/mm L/mm V/(mm·s−1) 1 12 4 15 2 14 8 25 3 16 12 35 4 18 16 45 5 20 20 55 Notes: H—Nozzle height; L—Scanning line spacing; V—Scanning speed. 
下载: 导出CSV
表 2 等离子改性温度测试结果
Table 2 Plasma treatment temperature test results
No. Code T/℃ SD/℃ No. Code T/℃ SD/℃ 1 P12-4-15 275.0 0.0 14 P16-16-15 195.0 0.7 2 P12-8-25 251.3 2.2 15 P16-20-25 168.6 0.5 3 P12-12-35 219.5 0.5 16 P18-4-45 128.6 2.1 4 P12-16-45 197.5 2.9 17 P18-8-55 123.0 0.4 5 P12-20-55 178.7 2.3 18 P18-12-15 170.3 0.7 6 P14-4-25 195.8 1.6 19 P18-16-25 151.5 1.4 7 P14-8-35 177.7 2.9 20 P18-20-35 138.3 1.9 8 P14-12-45 155.9 0.9 21 P20-4-55 112.9 0.7 9 P14-16-55 152.4 1.5 22 P20-8-15 159.1 1.5 10 P14-20-15 219.4 3.4 23 P20-12-25 134.6 0.8 11 P16-4-35 154.2 1.0 24 P20-16-35 128.2 1.1 12 P16-8-45 143.9 0.7 25 P20-20-45 118.2 0.8 13 P16-12-55 130.3 1.3 Notes: The code in the table represents P(Nozzle height H)-(Scan line spacing L)-(Nozzle movement speed V); The surface temperature of sample P12-4-15 has exceeded the maximum measurement value of the infrared thermal imager (275℃) during processing; T is the average temperature of the three tested points, and SD is the standard deviation of the three tested temperatures.
下载: 导出CSV
表 3 等离子处理前后 CFRP 试样表面主要化学元素组成及其原子分数
Table 3 Main chemical element composition and atomic fractions on the surface of CFRP specimens before and after plasma treatment
C1s/at% N1s/at% O1s/at% F1s/at% As-received 63.31 2.00 13.96 18.66 P16-16-35 53.12 8.46 27.67 6.91
下载: 导出CSV
-
[1] 王军照. 碳纤维复合材料在航空领域中的应用现状及改进[J]. 今日制造与升级, 2020(8): 48-49. WANG Junzhao. Application status and improvement of carbon fiber composite materials in the aviation field[J]. Today's Manufacturing and Upgrading, 2020(8): 48-49(in Chinese).
[2] SAJAN S, PHILIP SELVARAJ D. A review on polymer matrix composite materials and their applications[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, 47(P15): 5493-5498.
[3] MCILHAGGER A, ARCHER E, MCILHAGGER R. Manufacturing processes for composite materials and components for aerospace applications[M]//Polymer composites in the aerospace industry. Amsterdam: Elsevier, 2020: 59-81.
[4] 宁蕙, 谭志勇, 张宏宇. 复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展[J]. 强度与环境, 2023, 50(3): 1-9. NING Hui, TAN Zhiyong, ZHANG Hongyu. Research progress on fatigue properties of composite material bolted connection structures[J]. Structure & Environment Engineering, 2023, 50(3): 1-9(in Chinese).
[5] YUDHANTO A, ALFANO M, LUBINEAU G. Surface preparation strategies in secondary bonded thermoset-based composite materials: A review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021, 147: 106443.
[6] 邓立伟, 陈璐圆, 陈新文, 等. 可剥布剥离工艺性评价方法研究[J]. 失效分析与预防, 2019, 14(3): 157-160. DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.03.004 DENG Liwei, CHEN Luyuan, CHEN Xinwen, et al. Research on the evaluation method of peelable cloth peeling process[J]. Failure Analysis and Prevention, 2019, 14(3): 157-160(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.03.004
[7] TAO R, ALFANO M, LUBINEAU G. Laser-based surface patterning of composite plates for improved secondary adhesive bonding[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, 109: 84-94. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.02.041
[8] 刘宇婷, 潘利剑, 胡秀凤, 等. 可剥布对T300/Cycom 970环氧树脂复合材料胶接性能的影响[J]. 复合材料学报, 2017, 34(5): 996-1002. LIU Yuting, PAN Lijian, HU Xiufeng, et al. Effect of peel plies on bonding properties of T300/Cycom 970 epoxy composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2017, 34(5): 996-1002(in Chinese).
[9] 王旭, 陈璐圆, 陈萍, 等. 民用航空复合材料成型用可剥布评价与选用[J]. 航空制造技术, 2015(19): 88-91, 94. WANG Xu, CHEN Luyuan, CHEN Ping, et al. Evaluation methods and selection of peel ply in fabrication process of civil aviation composites[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(19): 88-91, 94(in Chinese).
[10] 杜婷婷, 叶云霞, 刘远方, 等. 纳秒激光调控CFRP复合材料表面润湿性及其对胶接性能的影响[J]. 复合材料学报, 2021, 38(5): 1435-1445. DU Tingting, YE Yunxia, LIU Yuanfang, et al. Tailoring CFRP composite surface wettability with nanosecond laser and its effect on bonding performance[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(5): 1435-1445(in Chinese).
[11] 刘静, 曹意林, 李刚, 等. 激光对碳纤维及碳纤维/环氧树脂复合材料性能影响[J]. 复合材料学报, 2018, 35(11): 2979-2986. LIU Jing, CAO Yilin, LI Gang, et al. Effect of laser on properties of carbon fibre and carbon fibre/epoxy resin composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2018, 35(11): 2979-2986(in Chinese).
[12] FENG Z W, ZHAO H Y, TAN C W, et al. Nanosecond laser ablation for improving the strength of CFRTP and aluminum alloy adhesively bonded joints[J]. Composite Structures, 2021, 274: 114369.
[13] SUN C C, MIN J Y, LIN J P, et al. Effect of atmospheric pressure plasma treatment on adhesive bonding of carbon fiber reinforced polymer[J]. Polymers, 2019, 11(1): 139-157. DOI: 10.3390/polym11010139
[14] 王大伟, 李晔, 刘志浩, 等. 低温等离子体表面改性对CFRP胶接性能的影响[J]. 复合材料学报, 2023, 40(4): 2026-2037. WANG Dawei, LI Ye, LIU Zhihao, et al. Effect of low-temperature plasma surface modification on the adhesive performance of CFRP[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(4): 2026-2037(in Chinese).
[15] ZALDIVAR R J, NOKES J, STECKEL G L, et al. The effect of atmospheric plasma treatment on the chemistry, morphology and resultant bonding behavior of a PAN-based carbon fiber-reinforced epoxy composite[J]. Journal of Composite Materials, 2010, 44(2): 137-156.
[16] 翟全胜, 苗春卉, 崔海超, 等. 基于表面改性的国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料胶接性能[J]. 复合材料学报, 2021, 38(7): 2162-2171. ZHAI Quansheng, MIAO Chunhui, CUI Haichao, et al. Bonding performance of domestic T800 carbon fiber/high toughness epoxy composite based on surface modification[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(7): 2162-2171(in Chinese).
[17] DIGHTON C, REZAI A, OGIN S L, et al. Atmospheric plasma treatment of CFRP composites to enhance structural bonding investigated using surface analytical techniques[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2019, 91: 142-149.
[18] 邹田春, 刘志浩, 李晔, 等. 等离子体表面处理对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)胶接性能及表面特性的影响[J]. 中国表面工程, 2022, 35(1): 125-134. DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210901001 ZOU Tianchun, LIU Zhihao, LI Ye, et al. Effect of plasma surface treatment on bonding properties and surface properties of CFRP[J]. China Surface Engineering, 2022, 35(1): 125-134(in Chinese). DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210901001
[19] PIZZORNI M, LERTORA E, MANDOLFINO C. Low pressure plasma treatment of CFRP substrates for adhesive bonding: An investigation of joint durability under severe temperature-moisture conditioning[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2020, 99: 102592. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2020.102592
[20] LIN J P, SUN C C, MIN J Y, et al. Effect of atmospheric pressure plasma treatment on surface physicochemical properties of carbon fiber reinforced polymer and its interfacial bonding strength with adhesive[J]. Composites Part B: Engineering, 2020, 199: 108237. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108237
[21] 陈俊林, 董柳杉, 余永波, 等. 等离子体处理对航空复合材料胶接性能的影响研究[J]. 纤维复合材料, 2022, 39(3): 48-53. DOI: 10.3969/j.issn.1003-6423.2022.03.008 CHEN Junlin, DONG Liushan, YU Yongbo, et al. Effect of plasma treatment on bonding properties of aeronautical composites[J]. Fiber Composites Materials, 2022, 39(3): 48-53(in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1003-6423.2022.03.008
[22] ASTM International. Standard test method for Mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites: ASTM D5528-13[S]. West Conshohocken: ASTM, 2013.
-
期刊类型引用(7)
1. 钱小琴. 基于3D打印的热塑性聚氨酯防护材料性能分析及应用. 粘接. 2025(03): 111-114 . 
百度学术
2. 李世雄，侯琳，蔡普宁，刘泱，樊威. 纺织用X射线防护材料的研究进展. 棉纺织技术. 2024(03): 89-94 . 百度学术
3. 李昊，吴承承，王志新，王亚平，廖学品，石碧. 钆-钡/天然皮革复合可穿戴X射线屏蔽材料的制备及性能. 皮革科学与工程. 2024(03): 9-16 . 百度学术
4. 邱淑秀，马杨，汤新颖. 一种屏蔽X射线的新型纳米复材性能测试及应用效果研究. 粘接. 2024(06): 115-118 . 百度学术
5. 雷超，许维星，曾运航，石碧. 硅烷改性胶原纤维/聚氯乙烯复合材料的界面相容性及其高弹抗蠕变性研究. 复合材料学报. 2024(06): 2923-2934 . 本站查看
6. 王博宇，张栋栋，袁继龙，陆地，王琦，刘洋. 无铅柔性高分子复合材料X射线屏蔽性能研究. 辐射防护. 2024(06): 695-704 . 百度学术
7. 冯斯涵，韩刘佳，陈长洁，王新厚. 纤维基轻质高效X射线防护材料的制备及性能探究. 产业用纺织品. 2024(12): 20-26 . 百度学术
其他类型引用(0)
-
其他相关附件
-
目的
树脂基碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)相较于传统金属材料具有高比强度、优异的耐热性和抗腐蚀性，已广泛应用于汽车、航空航天和制造业等领域。传统连接方式存在腐蚀和应力集中等问题。胶粘连接能减轻重量，减少机械损伤和热损伤，并有均匀分布应力、耐腐蚀和多种材料连接等优势。然而，胶接结构常出现界面失效等问题，需通过表面处理提高胶接强度。等离子改性可改善CFRP胶接性能，并具有高效、环保、易控制和可实现自动化等优势。然而，过高的处理温度可能降低材料力学性能，因此需控制等离子改性温度，且需进一步研究不同等离子处理工艺参数对CFRP胶接性能的影响，确定最佳处理条件。
方法首先，采用热压罐成型工艺制备CFRP试板，并对其表面进行清洗和等离子处理。在等离子改性过程中，通过调节喷嘴高度、扫描速度和扫描行间距等工艺参数，控制CFRP表面温度在可控范围内，并采用红外热像仪对处理温度进行记录。接着，利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等方法对CFRP表面特性进行详细表征，以深入探究等离子改性对其胶接性能的影响机理。最后，制备DCB(双悬臂梁)胶接试样，并通过单向拉伸试验和G(断裂能量释放率)值计算评估其胶接性能。
结果①根据温度测试结果，在喷嘴高度为16mm、扫描速度为45mm/s的条件下，表面处理温度可控制在143.9℃，且有约6℃的安全余量。此外，在喷嘴高度为18mm时，扫描速度大于25mm/s，或喷嘴高度为20mm时，扫描速度大于20mm/s时，也可满足温度不超过150℃的要求。②采用多项式拟合建立CFRP材料表面温度与等离子工艺参数(处理速度v和喷嘴高度)的关系函数，并据此计算得到的表面温度Tcal与实际温度Texp的均方根误差为2.7℃，最大偏差为5.4℃，表明该模型在预测等离子处理CFRP的表面温度的预测效果令人满意。③另外，通过温度测试发现当等离子处理的行间距不小于16mm时，相邻两条等离子处理路径的热影响很小。因此，将行间距设定为16mm可作为最佳行间距参数。基于此设计了最佳的等离子改性扫描路径，每次扫描的行间距均为16mm，需进行四次扫描以完成试样表面的处理。每次扫描后，待试样冷却至室温后再进行下一道扫描路径。这种设计能有效减小试样表面的温度累积。④经过等离子改性处理后的表面形貌与原始相似，未出现纤维暴露。通过XPS测试发现，等离子处理有效去除了部分隔离膜的残留物，同时在复合材料表面嫁接了大量的含氧和含氮官能团，这些都有利于提升复合材料表面的胶接性能。⑤对试样进行了等离子改性后，胶接接头的Mode-I断裂韧性明显提高，最高提升达726.8%，说明等离子改性有效改善了胶接性能，且经过等离子改性的试样表现出了明显的混合失效模式。另外，且随着扫描速度的不断增大，等离子处理CFRP时表面温度下降趋势减弱，但胶接性能下降会越来越明显。
结论等离子改性对CFRP表面温度的影响取决于喷嘴高度和扫描速度。通过调整这些参数，可以控制等离子处理温度在一定范围内。通过建立了CFRP表面温度与等离子改性参数的经验模型，可准确预测不同参数下的处理温度。在等离子改性过程中，相邻扫描路径的热量累积是一个考虑因素，适当增大扫描行间距可以有效减小温度累积的影响。此外，在保证基材无明显损伤的前提下，等离子改性可以将CFRP的胶接性能提高约5倍，并改善失效模式。因此，等离子改性是一种有效提高CFRP胶接性能的方法，可根据需要调整参数以获得最佳效果，为等离子处理CFRP的工程应用提供了理论和实验支持。
-
常压等离子改性是常用的提升碳纤维复合材料(CFRP)胶接性能的方法。然而，该过程会导致CFRP表面温度升高，可能导致热变形、内应力甚至基材破坏。因此，需要进一步优化工艺参数，以满足工程使用要求。
本研究采用空气作为常压等离子源，测试了不同等离子改性参数下CFRP表面温度，并建立了表面温度与喷嘴高度、扫描速度的函数关系，实现了准确预测表面温度的方法。同时，通过优化扫描路径，减少热量积累效应。结合等离子改性对CFRP胶接性能的测试结果，最终确定了满足表面处理温度小于150℃的最佳工艺参数：喷嘴高度16mm，扫描速度45mm/s，扫描间距16mm。在这种参数下，CFRP表面温度为143.9℃，I型断裂韧性提升至425J/m2(相比原始状态提升约534.3%)，失效模式由界面改善为混合失效。该研究旨在找到最佳等离子改性工艺参数以实现表面温度控制并提升性能，为等离子改性在CFRP工程应用中提供重要参考。
不同等离子改性参数下表面温度与GIc性能 (a) 等离子表面改性温度的实验值与拟合曲面 (b) 基于路径优化的等离子表面改性GIc测试结果
计量
- 文章访问数: 318
- HTML全文浏览量: 176
- PDF下载量: 44
- 被引次数: 7
