對碳纖維布進行預粘結熱處理和除冰液污染的機械和非破壞性的研究

1.介紹

復合材料因其良好的力學性能在航空航天、造船、汽車、建筑、體育器材及醫療器械等方面的應用日益廣泛。加入碳纖維布（CFRP）的有效方法之一是使用粘結劑。我們分析了表面預粘結改性對碳纖維布粘結的影響。改性方法包括表面熱處理、除冰液表面污染等。

目前使用碳纖維布的材料是鉚接在一起的。替換鉚接為粘接，來尋求適當的質量保證技術。在飛機的生命周期中，有許多因素會危及到粘結的完整性。在制造階段粘結之前，對部件進行不適當的清洗可能會導致很弱的粘結，在維修過程中也會出現類似的危險。如果要用膠粘貼片修補結構，那么粘結前的表面應該要保持干凈。有必要進行樁核粘結檢查，以確保粘結質量。表面預粘結改性對斷裂韌度和粘附強度的影響備受關注。表面改性的目的是在粘結中引入缺陷，模擬了復合材料粘結修復的預粘結污染場景：除冰液的污染和飛機部件的熱降解。我們考慮了三組預粘結的改性。個改性是在粘結前的熱處理。結構部件可能暴露在外部熱源、閃電沖擊或熱引擎廢氣中。碳纖維布的熱處理可能導致纖維和樹脂因界面降解、分層、形成裂縫以及聚合物基體的降解而產生脫粘。在有氧氣的環境中，就會發生熱氧化降解。預粘結熱處理對碳纖維布的斷裂韌度有一定的影響。第二種改性是用除冰液對樣品進行預粘結污染處理。除冰液會影響飛機部件。除冰裝置中含有甲酸鉀，會沉積在碳纖維布的表面上。在飛機清洗過程中，可以將甲酸鉀運送到準備改性的區域，并污染它們，這可能會導致弱粘結。

在過去，各種方法被用來研究粘接。非線性孤波用于測試被釋放劑污染的粘結。在此之前，也曾嘗試采用EMI方法進行粘結評估。用于CFRP粘接的EMI方法，主要是對潮濕污染、釋放劑污染、粘結劑的不當固化溫度等問題進行研究。

2. 材料準備

8層CFRP相互粘結（總厚度是4mm），然后被切成小試樣用于機械測試。其中，使用的粘結劑是FM300-2（Cytec，美國），固化溫度是121 ℃。制備了參比樣品（RE）和改性后的樣品。這些改性包括熱處理（TD）、除冰液污染（DI）。

將CFRP放在熱風循環烘箱中進行熱處理。使用三個溫度等級：220℃（TD1），260℃（TD2）和280℃（TD3），并在選定的溫度下保溫2 h。然后磨碎CFRP，并粘在未處理的CFRP上。在SAFEWAY KF除冰液中，浸漬涂布了CFRP，制成了除冰液對粘結劑的污染效果。防冰劑含有甲酸鉀，所以表面的鉀（K）含量被認為是污染程度的一種測量方法。污染濃度依次為: 6.4±1.8 (DI1), 10.9±2.3 (DI2) 和12.0±1.4 at. % K (DI3)。

3. 離心方式測試附著力

離心測試是使用LUMiFrac附著力分析儀（圖1）進行的。離心技術的試驗原理是基于旋轉。在旋轉運動中，離心力 。

其中，m是旋轉質量，w是旋轉速度，r是旋轉軸的距離。旋轉速度的增加會導致負載增加。如果負載超過了樣品的粘附強度，試驗壓模塊就會在引導套筒內向外移動。試驗壓模的分離就也會被自動檢測到。使用SEPView測量軟件，可計算斷裂力和粘附強度。

連接過程如圖3所示。粘結劑用于帶有直接置換管道的壓型塊（a），引導套筒放置在樣品表面（b），壓型塊插入（c）并與樣品（d）粘結。

該儀器通過USB連接到電腦上。接口用于控制儀器（測試參數的傳輸）和結果的傳輸。當前的轉子-轉速被不斷地傳送到電腦軟件。斷裂時刻的轉速和斷裂時間被保存到相關的樣品位置。

準備好的樣品被插入到模塊中進行裂縫檢測，然后放置在轉子上。之后，關閉轉子和離心機蓋。在圖4中顯示了帶有8個通道（測試位置）的LUMiFrac的轉子。

在啟動軟件后，選擇所用的壓型塊，并輸入與樣品位置相關的樣品編號。接下來選擇負載變化并增大。初始化數據記錄開始離心。測試完成后，記錄的數據被導出到Excel中。

4 結果

圖5描述了粘附強度（AS）的結果。采用該方法對單次改性（TD和DI）的樣品進行了研究。與參比樣品RE相比，TD1的平均粘附強度增加。在TD2和TD3處理條件下，粘附強度下降。除冰液污染對DI1和DI2的粘附強度有相似的負面影響。DI3的平均粘附強度較低。

由此可見，使用LUMiFrac附著力分析儀，可對碳纖維布進行預粘結熱處理和除冰液污染的機械和非破壞性的研究，這對航空航天器的安全非常有指導意義。

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