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。
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。
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。
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
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。
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。