红外纳秒激光表面处理对胶接碳纤维/环氧复合材料粘接性能的影响

摘要： 研究人员采用脉冲红外（波长1064纳米）纳秒级（7纳秒脉宽）激光对碳纤维/环氧树脂复合材料表面进行处理。研究发现，单次1064纳米激光脉冲可通过激光诱导聚合物降解产生的热解气体膨胀，从复合材料表面去除聚合物基体从而暴露碳纤维。研究考察了激光功率密度和扫描策略对基体去除过程的影响，发现激光处理后胶接CFRP（碳纤维增强塑料）的结合强度随纤维表面残余基体减少而提升，且呈线性关系。通过搭接剪切试验测试表明，CFRP表面的胶接强度超过未处理及砂纸打磨（碳化硅砂纸）处理的样品。激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜观测显示，激光处理表面的纤维损伤主要源于机械断裂而非热损伤。分析剪切试验表面的特征形貌与失效模式可知，激光处理表面通过基体去除和碳纤维突出显著提升了胶接强度。研究建立了一维模型描述辐照表面的温度与内部气体压力，这种新型激光处理方法所需激光能量更低、脉冲次数更少，为制备高质量胶接CFRP构件提供了一种高效、低成本的表面处理途径。