激光表面处理对热塑性PA6/碳复合材料增强粘接强度的影响

“Effect of laser surface treatments on a thermoplastic PA 6/carbon composite to enhance the bonding strength”一文主要研究了激光表面处理对热塑性PA 6/碳复合材料粘结强度的影响，通过实验和分析揭示了激光处理提高粘结强度的机制，以下是具体内容：

1. **研究背景**

    - **复合材料连接方法**：碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）在多个行业广泛应用，其结构部件的连接方法至关重要。机械连接方法不适用于CFRP，而胶接是一种无加工过程的合适方法，但粘结强度受多种因素影响。

图1 在FRP上的激光表面处理示意图。（为了解释本图例中对颜色的参考资料，读者可以参考本文的网络版本。

    - **CFRP与CFRTP的特点**：与热固性CFRP相比，热塑性碳纤维增强聚合物复合材料（CFRTP）具有可回收和优异的抗冲击、腐蚀及温度性能等优势，但CFRTP与结构胶粘剂的粘结强度较低。

    - **表面处理的目的和方法**：表面处理可去除污染物、改变表面粗糙度和自由能以促进粘结。处理方法包括机械和化学处理，激光处理是一种新方法，本研究将其应用于CFRP和CFRTP表面以提高粘结强度。

2. **材料与实验方法**

    - **材料制备**：CFRP使用碳纤维/环氧预浸料，按特定堆叠顺序和固化条件制成；CFRTP使用碳纤维/聚酰胺6（PA 6）预浸料，同样按特定条件制造。

表2激光器系统特性

   表3根据激光功率计算的激光能量密度

 - **激光表面处理**：使用特定激光设备对CFRP和CFRTP表面的粘结区域进行处理，介绍了激光的特性和处理参数。

    - **胶接试验**：通过单搭接剪切和拉伸胶接试验测量激光表面处理对粘结强度的影响，按照相关标准进行试验，确定了试验的尺寸、速度等参数。

    - **分析方法**：使用数字光学显微镜观察分析激光处理表面、深度和失效模式；通过接触角测量系统测量表面自由能；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析激光处理对CFRTP表面官能团的影响。

图2。试样结构示意图；(a)单圈剪切试验(b)拉伸粘接试验。（为了解释本图例中对颜色的参考资料，读者可以参考本文的网络版本。）

表4水和甘油的表面张力参数（mJ/m2）。

图4。关于激光功率的处理深度；(a) CFRP和环氧树脂块，(b) CFRTP和PA 6块。

3. **结果**

    - **表面形态和失效模式**：激光处理功率高于15W时，CFRP和CFRTP表面的聚合物树脂富集区被完全去除，碳纤维暴露；处理深度与激光功率有关，且不同材料表现不同；随着激光功率和表面处理情况的变化，粘结结构的失效模式也发生改变。

图3。复合材料对激光处理功率的表面图像；(a) CFRP，(B) CFRTP。

    - **剪切和拉伸粘结强度**：对于CFRP，激光处理能显著提高剪切和拉伸粘结强度，在11.25W激光功率时达到最大值，之后随功率增加而降低；对于CFRTP，激光处理也能提高粘结强度，但变化趋势与CFRP有所不同。

图5。FRP粘接剂接头的失效方式根据粘接表面条件；(a)一般情况下无暴露纤维，(b)纤维暴露经激光表面处理。（为了解释本图例中对颜色的参考资料，读者可以参考本文的网络版本。）

4. **讨论**

    - **失效模式分析**：无激光处理时，失效模式为胶粘剂失效；低功率激光处理后，变为胶粘剂/内聚失效，粘结强度增加；高功率激光处理会导致粘结强度下降，失效模式改变，且在不同试验和材料中表现出不同的失效特点。

图6。环氧粘合剂FRP的剪切强度；(a) CFRP附着(b) CFRTP附着。

    - **表面自由能分析**：激光处理功率高于一定值时，CFRP和CFRTP表面碳纤维完全暴露，水的接触角趋近于零；表面自由能与剪切和拉伸粘结强度趋势相似，但CFRTP在7.5W功率条件下的表面自由能结果与粘结强度结果不一致。

图7。FRP与环氧粘附剂(a) CFRP粘附剂(b) CFRTP的拉伸粘附强度。

    - **FTIR分析**：对激光处理后的CFRTP表面进行FTIR分析，发现不同激光功率处理后，一些峰的强度发生变化，7.5W功率激光处理使特定化学键分解，增加了自由N - H和 - CH₂ - 拉伸，提高了界面粘结强度，而高于15W的激光功率处理则使PA 6燃烧分解，无法形成有效粘结。

图8。胶接缝断裂表面与激光处理功率的数字显微镜图像；(a)单圈剪切试验，(b)拉伸胶接试验，FT)(c)纤维撕裂失效模式

5. **结论**

    - 激光表面处理可提高CFRP和CFRTP的粘结强度，CFRP在11.25W激光处理时剪切强度达到最大值，机制是表面自由能增加提高了与胶粘剂的润湿性；CFRTP在7.5W激光处理时剪切强度达到最大值，是因为PA 6基质的光解反应产生了自由N - H拉伸和 - CH₂ - 拉伸，从而提高了界面粘结强度。

    - 高功率激光处理会使复合材料表面基质去除，碳纤维暴露，虽能作为增强体提高剪切强度，但过多暴露的碳纤维会阻碍基质的激光处理和界面形成。

表5根据粘接器和激光处理功率计算的粘接器接头的失效模式。