對(duì)于碳纖維增強(qiáng)塑料件的連接，粘合劑粘接相對(duì)于機(jī)械緊固件來說具備多方面的優(yōu)勢(shì)。具體來說，使用粘合劑不會(huì)產(chǎn)生穿孔，因而不會(huì)損壞纖維結(jié)構(gòu)；不會(huì)在接口周圍產(chǎn)生集中應(yīng)力；是一種輕量替代方案。然而，如果部件表面存在污染物，例如脫模劑，就難以達(dá)到高的粘合強(qiáng)度。 

    人們研究了在粘合之前獲取理想表面質(zhì)量的各種技術(shù)。這些措施包括采用剝離層，以及各種機(jī)械制備技術(shù)，例如研磨或噴砂處理。遺憾的是，每種工藝都有它們自身的缺陷，要么是速度問題，要么是復(fù)雜度問題，要么需要后續(xù)的清洗操作。 

    以準(zhǔn)分子激光為基礎(chǔ)的表面清潔和燒蝕技術(shù)現(xiàn)在可以提供一種實(shí)用的替代方案，采用此技術(shù)產(chǎn)生的表面可以滿足粘接所需的特性要求。 

    粘結(jié)劑連接 

    CFRP 的主要優(yōu)點(diǎn)之一是比強(qiáng)度（強(qiáng)度/ 重量）高。然而，使用常規(guī)的緊固件連接技術(shù)會(huì)大大降低這種優(yōu)勢(shì)。具體來說，采用傳統(tǒng)的緊固件（比如螺釘或鉚釘）需要鉆孔，這就會(huì)破壞載荷纖維的結(jié)構(gòu)。此外，這些緊固件周圍的內(nèi)部應(yīng)力可能會(huì)很高，因?yàn)樗鼈儗⒊休d功能集中在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。這可能需要在應(yīng)力點(diǎn)周圍使用加強(qiáng)件，這必然會(huì)增加組件的總重量。最后一點(diǎn)，金屬緊固件本身可能會(huì)顯著增加組件的重量。 

    粘合劑連接是一種可以避免這些問題的替代方案。具體來說，它不需要穿透CFRP，能夠?qū)C(jī)械負(fù)荷均勻地分布在整個(gè)接合面上，而且它不會(huì)顯著增加成品的重量。 

    然而，為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的粘接，必須將之前殘留在表面的脫模劑和其他表面污染物去除。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楸娝苤?，粘接?qiáng)度與粘接之前的表面清潔程度高度相關(guān)。但是，清潔過程不能對(duì)基底的CFRP 產(chǎn)生任何損壞，特別是不能損壞載荷纖維。 

    目前有幾種技術(shù)被用于CFRP 部件粘接之前的清潔和準(zhǔn)備。這些措施包括機(jī)械研磨、各種噴砂工藝，以及所謂剝離層的去除。 

    最普遍采用的機(jī)械研磨工藝的主要缺點(diǎn)是效率低，且大多需要在濕態(tài)操作。第二點(diǎn)意味著隨后還需要沖洗和干燥的過程，從而增加生產(chǎn)成本和加工時(shí)間。此外，研磨工藝的自動(dòng)化是相當(dāng)復(fù)雜的，而且在研磨之前和之后都需要清洗操作。因此，研磨大部分是手動(dòng)操作的，這使得該工藝不適合于大批量生產(chǎn)和大面積CFRP 部件的生產(chǎn)。手工處理還使得加工質(zhì)量具有很大的可變性，纖維結(jié)構(gòu)也有可能因?yàn)檫^度處理或表面污染物未完全清除干凈而被損壞。同樣的，噴砂處理也會(huì)使纖維有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，留下殘余物和灰塵，從而不得不增加后續(xù)的清洗過程。 

    航空航天工業(yè)流行的CFRP 表面粘接準(zhǔn)備工藝是使用剝離層。這些剝離層是織物制成的片材，在基材樹脂固化之前將片材插入CFRP 表面，然后在粘接之前去除。這種技術(shù)能夠得到可重現(xiàn)的粗糙度和清潔表面，從而保證良好的粘接。 

    剝離層的主要缺點(diǎn)是它們必須經(jīng)過層壓制成零件，這就增加了制造過程的復(fù)雜性。另外，這種方法并不適用于修復(fù)粘接件。剝離層的效率和可重復(fù)性也存在問題。具體來說，剝離層表面在樹脂層中會(huì)產(chǎn)生厚度變化。而且，一些研究人員指出，脫模劑的殘留物會(huì)從剝離層轉(zhuǎn)移到部件表面。此外，一些剝離層的表面粗糙度可能達(dá)不到最佳粘接狀態(tài)。最后，斷裂韌性（GIC）和搭接剪切強(qiáng)度與所使用的剝離層織物類型具有非常密切的關(guān)系。 

    激光表面處理 

    激光加工技術(shù)實(shí)際上可以克服其他工藝的所有缺點(diǎn)，因此，研究者們?cè)?0年前就已經(jīng)在研究這一技術(shù)。尤其是用激光照射碳纖維復(fù)合材料的表面，就能夠有效去除所有殘留的污染物，使表面達(dá)到最好的粘接狀態(tài)。與機(jī)械技術(shù)不同，激光清潔幾乎不需要表面處理，可以在干燥狀態(tài)下進(jìn)行，激光加工過的表面不需要后續(xù)的清洗操作（如果施加足夠大的吸力），而且如果參數(shù)選擇合適，不會(huì)損傷纖維。此外，激光加工適用于大表面積的制備，可以很容易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且產(chǎn)品質(zhì)量高度一致，因?yàn)檫@是一種無磨損的非接觸工藝。 

    但是，有一點(diǎn)需要澄清：“激光加工”實(shí)際上是一個(gè)非常普遍的詞匯。用于CFRP 清潔的激光技術(shù)有幾種不同的形式。這些不同類型的激光利器利用不同的機(jī)制去除材料，操作形式、成本和特點(diǎn)非常不同。這一領(lǐng)域最常用的技術(shù)是二氧化碳（CO2）激光器、二極管泵浦固態(tài)（DPSS）近紅外激光器、紫外DPSS 倍頻激光器，以及準(zhǔn)分子激光器。 

    CO2 激光器在遠(yuǎn)紅外區(qū)發(fā)射出光子，通過加熱使材料熔化或汽化，達(dá)到完全去除的目的。CO2 激光器的輸出功率可以高達(dá)幾千瓦，每瓦的成本和運(yùn)行費(fèi)用非常具有吸引力（密封的射頻激發(fā)平板CO2 激光器的運(yùn)行費(fèi)用更低）。CO2 激光器輸出的光束直徑小，高功率使得它要么擴(kuò)展到較大的區(qū)域，要么快速掃描需要處理的部件表面。因此，CO2 激光器能夠以相對(duì)較高的速率處理CFRP 部件的表面。 

    CO2 激光技術(shù)用于CFRP 清潔的主要缺點(diǎn)是：被吸收的光會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部受熱，熱量會(huì)由纖維傳遞給樹脂基材，導(dǎo)致基材的降解，從而破壞層壓材料的完整性。因此，CO2 激光器可用于CFRP 的切割，但不適合于更精密的應(yīng)用，例如粘接表面的處理。 

    DPSS 激光器在近紅外區(qū)發(fā)射的基礎(chǔ)波長(zhǎng)（通常為1.064 μm）也能夠通過加熱的方式去除材料。但是，DPSS發(fā)出的近紅外光能夠比CO2 激光器輸出的光束更深地穿透大塊材料，對(duì)CFRP的破壞潛力更大。 

    頻率轉(zhuǎn)換可以將DPSS 激光器輸出的紅外光轉(zhuǎn)變成紫外光（UV）。紫外激光器產(chǎn)生的高能量光子通過直接破壞原子或分子鍵來去除材料，而不是通過對(duì)整塊材料進(jìn)行加熱。這個(gè)過程被稱為激光燒蝕。此外，UV 光能夠被CFRP材料很好地吸收，因而不會(huì)穿透材料。因此，用DPSS 紫外激光器處理CFRP可以產(chǎn)生最小的HAZ（熱影響區(qū)）。 

    然而，目前市場(chǎng)上在售的半導(dǎo)體泵浦固體激光器（DPSSL）技術(shù)有一個(gè)主要的限制，即紫外線的輸出功率比較低。因此，DPSS 紫外激光器通常不能以較快的速度處理大面積的CFRP 材料。 

    準(zhǔn)分子激光器也能夠輸出紫外光，因此它們?cè)谌コ鼵FRP 材料方面的能力與DPSS 紫外激光器是相同的，而且基本上沒有顯著的熱影響區(qū)。然而，準(zhǔn)分子激光器的輸出特性與固態(tài)激光器和CO2 激光器非常不同。具體來說，準(zhǔn)分子激光器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的矩形光束，而其他激光源產(chǎn)生的光束是小而圓的?？梢圆捎霉鈱W(xué)器件將原始輸出光束的尺寸進(jìn)行任意的改變，例如從長(zhǎng)而細(xì)變?yōu)榫匦?。另外，激光光斑的輻照分布可以調(diào)整，使其在整個(gè)光束區(qū)域均勻分布。 

    準(zhǔn)分子激光器在所有的紫外激光器中具有最高的輸出功率和最大的效率。例如，目前工業(yè)級(jí)準(zhǔn)分子光源的單位脈沖能量高達(dá)2.0 焦；這些激光器的高重復(fù)率脈沖在幾十赫茲（Hz）到幾千赫茲之間。高紫外輸出功率、高重復(fù)率脈沖以及大光束使得準(zhǔn)分子激光器成為大批量CFRP 高精度清潔的理想工具。另外，現(xiàn)代的準(zhǔn)分子激光器展示出了出色的穩(wěn)定性和所有權(quán)成本特點(diǎn)，使它們成為了這一應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用選擇。 #p#分頁標(biāo)題#e#

    準(zhǔn)分子激光器清潔CFRP 

    因?yàn)闇?zhǔn)分子激光光束可以很容易地被塑造成不同的尺寸，因此可以根據(jù)CFRP 的確切形狀、特定類型的激光器的能量密度，以及所需的輸出功率實(shí)現(xiàn)精確的應(yīng)用。然而，所有的CFRP 處理方法通常是兩種基本方法的變體，即線掃描或步進(jìn)- 重復(fù)方式（見圖1）。

    在線掃描方式中，激光束被塑形為一條線（一個(gè)長(zhǎng)寬比非常高的矩形），然后連續(xù)地橫掃待清潔的表面。材料特定區(qū)域上輻照的脈沖數(shù)目是由線寬、光線移動(dòng)速度和激光的重復(fù)頻率共同來確定的。如果線路長(zhǎng)度比待清潔的區(qū)域的寬度短，則需要在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置幾個(gè)相鄰的通道。 

    在步進(jìn)- 重復(fù)方法中，激光束被塑形為正方形或接近正方形的矩形。激光光斑定位在CFRP 表面的固定點(diǎn)上進(jìn)行輻照（包括一個(gè)或多個(gè)激光脈沖）。然后，該光束被轉(zhuǎn)換成與光束寬度對(duì)應(yīng)的距離。該過程不斷重復(fù)，待清潔的整個(gè)區(qū)域就被以這種方式輻照。 

    準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的深紫外光波長(zhǎng)不能通過光纖傳輸，而且典型的準(zhǔn)分子激光傳遞光學(xué)器件的物理尺寸和重量都比較大，因此，將CFRP 向激光束移動(dòng)通常是比較可行的，而不是移動(dòng)激光束。這些因素也使準(zhǔn)分子激光器最適于進(jìn)行生產(chǎn)工作，而不是現(xiàn)場(chǎng)維修。 

    準(zhǔn)分子激光測(cè)試結(jié)果 

    德國Braunschweig 技術(shù)大學(xué)粘接和復(fù)合材料技術(shù)系測(cè)試了各種類型的激光器在CFRP 預(yù)處理方面的能力。這里給出的測(cè)試結(jié)果是采用Coherent 公司的LPXpro305 準(zhǔn)分子激光器獲得的，輸出波長(zhǎng)設(shè)置為308 nm，脈沖寬度為28ns。光束成形和均質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)用于將激光器的輸出光束轉(zhuǎn)變?yōu)?0 mm×1.8 mm的光線，其能量密度在整個(gè)長(zhǎng)度上的變化不到1％ rms（輻照度呈高斯分布）。線掃描方法采用的激光密度在400-800mJ/cm2 之間。通過改變激光的重復(fù)頻率和掃描線速度，CFRP 部件指定點(diǎn)上的總脈沖輻照變化在1-48 之間。 

    被測(cè)試的CFRP 是采用閉模壓塑工藝生產(chǎn)的典型的航空航天預(yù)浸料，固化溫度為120℃，固化壓力大約為3 巴。為了再現(xiàn)表面污染的典型水平，模具上被涂刷了一層有機(jī)硅基的脫模劑，沒有使用剝離膜。樣品制成之后，用水冷圓鋸切割，然后用異丙醇清洗，以除去殘留的切削液。 

    SEM 照片（見圖2）顯示了準(zhǔn)分子激光器清潔CFRP 所得到的表面質(zhì)量，也顯示了該技術(shù)的高度可控的去除材料能力。具體來說，這些照片顯示了一個(gè)進(jìn)程：從簡(jiǎn)單的去除表面污染物，保持基底材料不變，到各種不同難度的材料的去除，直至露出底層的纖維。

    激光清潔之后，粘接好樣品，然后根據(jù)DIN 1465 的標(biāo)準(zhǔn)，采用一個(gè)搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試評(píng)估粘接的強(qiáng)度。從測(cè)試的結(jié)果（見圖3）可以清楚地看出，相對(duì)于未處理的參考樣品，研磨和激光清潔兩種方法都能夠大幅度提高粘結(jié)強(qiáng)度。在這個(gè)測(cè)試中，用600mJ/cm2 脈沖能量的兩個(gè)脈沖輻照CFRP 的指定區(qū)域，能夠達(dá)到最高的粘接強(qiáng)度。輻照強(qiáng)度低于或高于這個(gè)值，得到的強(qiáng)度都會(huì)差一點(diǎn)（盡管所有采用準(zhǔn)分子激光清潔的表面質(zhì)量都相當(dāng)不錯(cuò)）。

    最佳的結(jié)果發(fā)生在脈沖能量的中間值的原因又與準(zhǔn)分子激光的精確的材料去除能力相關(guān)。以較低的脈沖能量運(yùn)行只能去除極少量的材料，所以這些輻照不能完全消除所有的表面污染物。這就降低了最終的粘接強(qiáng)度，失效的部分原因至少是由于粘接失效（粘合劑和被粘物之間的界面失去作用力）。 

    在最佳的輻照條件下（兩個(gè)600 mJ/cm2 的脈沖），材料由于內(nèi)聚力失效而分離，這意味著材料與表面的粘接強(qiáng)度比粘合劑本身更強(qiáng)。也就是說，激光已經(jīng)完全去除了所有的表面污染物，但并沒有顯著降低CFRP 材料的強(qiáng)度。 

    在最佳輻照強(qiáng)度之上，激光已經(jīng)完全消除了重疊的純環(huán)氧樹脂層，或者，在最高的輻照強(qiáng)度下，激光會(huì)開始損壞纖維的浸潤劑。后一種情況的結(jié)果就是，總剪切強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致界面失效。 

    在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)下，LPXpro 305 準(zhǔn)分子激光清潔可以達(dá)到0.16 m2/min（9.6 m2/h）的速率。然而，市場(chǎng)上有比30W（平均功率）的LPXpro 305 更加強(qiáng)大的工業(yè)準(zhǔn)分子激光器。例如，Coherent 公司的LSX 系列激光器，平均功率為540 W。在本測(cè)試中，如果采用同一脈沖能量和搭接方式（但脈沖重復(fù)頻率為600 Hz），清潔速率可以達(dá)到0.97 m2/min（58.3 m2/h），因此，它適用于許多典型的CFRP 部件的生產(chǎn)過程。 

    非常適合量產(chǎn) 

    采用粘合劑粘接CFRP（不使用機(jī)械緊固件）可以使這些材料達(dá)到最高的強(qiáng)度和較低的重量。然而，采用這種粘接技術(shù)，需要在粘接之前徹底清潔CFRP 表面，這是它非常大的一個(gè)限制。但是要特別指出一點(diǎn)，機(jī)械研磨技術(shù)和使用剝離層都必須采用額外的工藝步驟，從而導(dǎo)致成本增加。 

    激光表面清潔能夠保證非常高的粘接強(qiáng)度，比較適用于生產(chǎn)過程。準(zhǔn)分子激光尤其特別，它不僅具有較高的光輸出功率，而且非常適合工業(yè)生產(chǎn)中CFRP 的精密處理。此外，準(zhǔn)分子激光處理具有很高的可重復(fù)性，非常適合于批量生產(chǎn)，是一種連續(xù)而穩(wěn)定的工藝。

作者：Fabian Fischer