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表面处理对碳纤维复合材料胶接性能会产生哪些影响

来源:国联资源网-行业资讯    发布时间:2019-07-17

随着,碳纤维复合材料(CFRP)在汽车中应用的发展,作为结构材料的一种其与钢、铝和自身的连接问题急需解决。CFRP是一种硬脆的材料,机械连接(铆接,螺栓连接)都要用到钻孔或者直接冲孔,在这个过程中,孔周围碳纤维发生断裂影响其结构本体性能,在孔周围容易产生工艺缺陷。

结构胶胶接工艺省去了钻孔、冲孔等工艺,且不会损害碳纤维复合材料的性能,胶接接头具有优秀的疲劳性能。有研究表明,胶接接头,普通模量(2GPa)的碳纤维在107疲劳处理后仍有70%以上的强度,高模量的CFRP甚至不会受到疲劳的影响。同时,汽车结构件采用结构胶接,可以同时解决工艺和强度的问题,零件数目少,结构轻,连接效率高,可降低制件成本。

母材选用由挪恩复材提供的12kT700级碳纤维材料,采用热压罐工艺制造。结构粘胶则选用环氧胶和聚氨酯胶,对母材进行表面处理,分别是利用无水乙醇和丙二醇对碳纤维待胶接表面进行清洗、利用砂纸进行表面打磨和采用100mm/s的速度进行等离子处理,并进行剪切性能和剥离性能试验。

根据*终记录的数据,在拉伸剪切测试中,载荷一位移曲线呈直线上升趋势,这是由于在剪切过程中整个胶接面均匀承载,载荷均匀上升;在剥离过程中,连接母材首先发生弯曲变形承受部分载荷胶接面逐步承载直至失效,剥离拉伸载荷一位移曲线表现出一定的弧度。

针对未进行表面处理的胶接连接试件进行试验分析,可以看出环氧胶黏剂剪切强度高于聚氨酯胶黏剂,剥离强度则低于聚氨酯。这是由于环氧为高强胶黏剂,聚氨酯为高韧胶黏剂,在剪切过程中环氧抗剪性能较为优异,同时,聚氨酯胶层厚度高于环氧胶黏剂,更大的胶层截面使其抗剥离性能更为优异。

对于聚氨酯与环氧两类胶黏剂,打磨处理均使连接强度上升,等离子处理则会导致连接强度下降。等离子处理过程中,含有氧气、氢气的等离子处理会直接在表面引人活性基团,提高表面活性提高与胶黏剂的结合力;提高表面结合能,氧原子比例大幅增加,表面含氧官能团增加,降低界面结合力,后者起主要作用,这导致了等离子处理后连接性能的降低。

总的来说,环氧胶黏剂抗剪性能较为优异,聚氨酯抗剥离性能更为优异,碳纤维结构设计中可依据结构工况选用合适结构胶黏剂;打磨处理可提高被粘物表面粗糙度提高胶接强度;等离子处理在被粘物表面引人活性基团,提高表面活性与胶黏剂的结合力,但同时会与表面官能团反应降低界面结合力,综合作用导致胶接强度降低。

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