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。

碳纖維強化塑料背景

碳纖維增強塑料由所謂的增強材料和基質(zhì)組成。增強材料是碳纖維，通常象織物一樣交織起來，提供承重強度和剛性。其它纖維，如凱夫拉爾，鋁或者玻璃等也會添加進來?；|(zhì)通常是環(huán)氧基樹脂或某些其它聚合樹脂，它將增強材料包圍起來，并將其綁定在一起。

使用帶狀鋪疊、模塑、樹脂傳遞成型或編織等各種技術(shù)可以制造出各種形狀和尺寸的碳纖維增強塑料組件。構(gòu)造更大型的混合結(jié)構(gòu)，如飛機零部件，就需要將各個裝配式碳纖維增強塑料組件連接起來。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)力可能會很高，因為它們將承載功能集中在一個小區(qū)域內(nèi)。這可能需要在應(yīng)力點周圍使用加強件，這必然會增加組件的總重量。最后一點，金屬緊固件本身可能會顯著增加組件的重量。后兩個因素會降低碳纖維強化塑料高強度和低質(zhì)量的特性，而這是碳纖維強化塑料最為有用的特性。

粘合劑連接

選擇粘合劑粘接則可以避免上述問題。更具體地說，它不需要在碳纖維塑料上打孔，可以將機械負(fù)荷分布在整個接合面上，而且也不會增加組裝件成品的重量。

然而，為了實現(xiàn)高強度的粘接，必須將之前殘留在表面的脫模劑和其他表面污染物去除。這一點至關(guān)重要，因為眾所周知，粘接強度與粘接之前的表面清潔程度高度相關(guān)。但是，清潔過程不能對基底的CFRP產(chǎn)生任何損壞，特別是不能損壞載荷纖維。

表面處理技術(shù)

目前，在進行粘合之前，對碳纖維材料零件進行清洗和準(zhǔn)備工作的技術(shù)包括機械研磨和噴砂工藝。不幸的是，這些方法都存在缺陷。例如，大多數(shù)機械研磨工藝生產(chǎn)效率低下，并且通常需要進行濕態(tài)操作， 這就意味著隨后還需要進行沖洗和干燥的過程，進一步增加了生產(chǎn)成本，延長了加工時間。同樣的，噴砂處理也會使纖維有損壞的風(fēng)險，留下殘余物和灰塵，從而不得不增加后續(xù)的清洗過程。

航空航天領(lǐng)域流行的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。

激光表面處理的優(yōu)勢

激光表面預(yù)處理工作包括在碳纖維塑料上燒蝕一薄層材料。在其它應(yīng)用中，這種清洗方法已被證明能夠避免幾乎所有其它技術(shù)的缺陷，并能有效率去除幾乎所有的殘留污染物。和機械技術(shù)不同，激光清洗幾乎不需要進行表面處理，可以在干燥狀態(tài)下進行，清洗后的材料表面不會留下殘余物，容易操作， 產(chǎn)品質(zhì)量高度一致，因為這是一種無磨損非接觸工藝。此外，可以應(yīng)用于碳纖維塑料修復(fù)工作。

但是，為了讓激光清洗工藝產(chǎn)生比機械方法和剝離層方法更好的效果，激光清洗不能夠?qū)φ麎K樹脂或負(fù)載纖維造成損傷。這樣的話，使用遠紅外CO2激光器、近紅外固體激光器和光纖激光器等波長較長的激光器時就會有問題，因為所有這些激光器通過加熱方式來去除材料。對整塊材料加熱會造成纖維損傷以及基體的破裂。相反，紫外激光器主要通過光切除而非熱機制來去除材料， 從而不會產(chǎn)生熱影響區(qū)域，并能進行高度精確的材料去除。（見圖1）

就現(xiàn)有的紫外激光技術(shù)來說，脈沖準(zhǔn)分子激光器能提供最大的脈沖能量（高達2J）。此外，準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生大的矩形光束易于塑形和均質(zhì)化，從而匹配碳纖維塑料表面預(yù)處理應(yīng)用的幾何結(jié)構(gòu)。總的來說，這些特性可以實現(xiàn)材料的快速去除和高效的生產(chǎn)能力，甚至在應(yīng)對更大型的碳纖維塑料零件時也是如此?，F(xiàn)有的準(zhǔn)分子激光器由于能超過一年以上時間在三班制高占空比操作中都不需要進行維護，在其它工業(yè)應(yīng)用中已有良好的表現(xiàn)記錄。

準(zhǔn)分子激光器清潔

因為準(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、特定類型激光器的能量密度，以及所需的輸出功率實現(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- 重復(fù)方式（見圖2）。

在線掃描方式中，激光光束呈線條狀（即一個長寬比非常高的矩形），連續(xù)地橫掃待清理的表面。材料特定區(qū)域上輻照的脈沖數(shù)目是由線寬、光線移動速度和激光的重復(fù)頻率共同來確定的。如果線路長度比待清潔的區(qū)域的寬度短，則需要在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置幾個相鄰的通道。

在步進-重復(fù)方法中，激光光束呈方形或近正方形的矩形。激光光斑定位在碳纖維塑料表面的一個固定點上進行輻照，并形成一個曝光區(qū)域（由一道或者更多激光脈沖組成）。隨后，激光光束依據(jù)其寬度被轉(zhuǎn)換成與光束寬度相對應(yīng)的距離，該過程不斷重復(fù)，待清潔的整個區(qū)域就被以這種方式輻照。

需要清潔的整個區(qū)域按照這種方式依次完成。對于兩種方法來說，考慮到準(zhǔn)分子光束傳遞光學(xué)器件的物理尺寸和重量都比較大，移動碳纖維塑料比移動激光光束更具操作性，更劃算。

準(zhǔn)分子激光測試結(jié)果

德國Braunschweig技術(shù)大學(xué)粘接和復(fù)合材料技術(shù)系對使用Coherent公司的 LPXpro 305準(zhǔn)分子激光器進行表面處理的碳纖維塑料的粘接強度進行了測試，并將該結(jié)果與使用傳統(tǒng)表面處理方法后的碳纖維塑料的粘接強度進行對比。在這一研究中，準(zhǔn)分子激光器獲得，輸出波長設(shè)定為308nm，脈沖持續(xù)時間為28ns。原始激光輸出被轉(zhuǎn)換成30mm×1.8mm的區(qū)域大小，其能量密度在整個長度上的變化不到1%，輻照度呈高斯分布。使用了線掃描方法，激光能量密度在400-800mJ/cm2。通過改變激光重復(fù)頻率和掃描線速度，碳纖維塑料上給定點的脈沖輻照變化在1-48之間。被測試的碳纖維塑料是是采用閉模壓塑工藝生產(chǎn)的典型的航空航天預(yù)浸料，模具上被涂刷了一層有機硅基的脫模劑。掃描電鏡圖（圖3）顯示了準(zhǔn)分子激光技術(shù)能夠嚴(yán)格控制粘接和基質(zhì)材料去除， 且不會對曝露的纖維造成損害。

在激光清洗后，粘接好樣品，并測量粘接的強度。從測試的結(jié)果可以清楚地看出，相對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)強度。在這個測試中，用600mJ/ cm2脈沖能量的兩個脈沖輻照CFRP的指定區(qū)域，能夠達到最高的粘接強度。即使出現(xiàn)了問題，也發(fā)生在基質(zhì)內(nèi)部而非粘接邊界，這意味著粘接強度要高于整個基質(zhì)材料。

以較低的脈沖能量運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度。

在最佳輻照強度之上，激光已經(jīng)完全消除了重疊的純環(huán)氧樹脂層，或者，在最高的輻照強度下，激光會開始損壞纖維的浸潤劑（涂料指碳纖維表面的化學(xué)涂層，能夠增強與基體樹脂的粘度）。造成的結(jié)果就是總剪切強度降低，從而導(dǎo)致界面失效。

雖然其它粘接和基體材料配方的最佳脈沖數(shù)量和能量密度可能有所不同，上述測試清楚地表明，使用正確參數(shù)的準(zhǔn)分子激光處理技術(shù)能夠獲得的最大抗剪切強度要達到或超過使用研磨技術(shù)的結(jié)果。在本次實驗設(shè)定的參數(shù)下，LPXpro 305準(zhǔn)分子激光清潔可以達到0.16m2/min（9.6m2/h），略慢于商用速度。但是，現(xiàn)在也有功率超過30W（平均功率）的準(zhǔn)分子工業(yè)激光器。例如， Coherent LSX系列激光器的平均功率為540W。使用和測試中同樣脈沖能量的搭接方式，但是重復(fù)率為600Hz，清潔效率就能達到0.97m2/min（58.3m2/h，從而適用于許多典型的CFRP部件的生產(chǎn)過程。

總之，如果在進行粘接之前能夠適當(dāng)處理好粘接表面，那么碳纖維塑料粘接比其它連接技術(shù)具有更多優(yōu)勢。準(zhǔn)分子激光器表面處理技術(shù)在最終粘接強度上能優(yōu)于其它方法，同時也更經(jīng)濟適用。此外，這一技術(shù)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。