对碳纤维布进行预粘结热处理和除冰液污染的机械和非破坏性的研究

1.介绍

复合材料因其良好的力学性能在航空航天、造船、汽车、建筑、体育器材及医疗器械等方面的应用日益广泛。加入碳纤维布（CFRP）的有效方法之一是使用粘结剂。我们分析了表面预粘结改性对碳纤维布粘结的影响。改性方法包括表面热处理、除冰液表面污染等。

目前使用碳纤维布的材料是铆接在一起的。替换铆接为粘接，来寻求适当的质量保证技术。在飞机的生命周期中，有许多因素会危及到粘结的完整性。在制造阶段粘结之前，对部件进行不适当的清洗可能会导致很弱的粘结，在维修过程中也会出现类似的危险。如果要用胶粘贴片修补结构，那么粘结前的表面应该要保持干净。有必要进行桩核粘结检查，以确保粘结质量。表面预粘结改性对断裂韧度和粘附强度的影响备受关注。表面改性的目的是在粘结中引入缺陷，模拟了复合材料粘结修复的预粘结污染场景：除冰液的污染和飞机部件的热降解。我们考虑了三组预粘结的改性。个改性是在粘结前的热处理。结构部件可能暴露在外部热源、闪电冲击或热引擎废气中。碳纤维布的热处理可能导致纤维和树脂因界面降解、分层、形成裂缝以及聚合物基体的降解而产生脱粘。在有氧气的环境中，就会发生热氧化降解。预粘结热处理对碳纤维布的断裂韧度有一定的影响。第二种改性是用除冰液对样品进行预粘结污染处理。除冰液会影响飞机部件。除冰装置中含有甲酸钾，会沉积在碳纤维布的表面上。在飞机清洗过程中，可以将甲酸钾运送到准备改性的区域，并污染它们，这可能会导致弱粘结。

在过去，各种方法被用来研究粘接。非线性孤波用于测试被释放剂污染的粘结。在此之前，也曾尝试采用EMI方法进行粘结评估。用于CFRP粘接的EMI方法，主要是对潮湿污染、释放剂污染、粘结剂的不当固化温度等问题进行研究。

2. 材料准备

8层CFRP相互粘结（总厚度是4mm），然后被切成小试样用于机械测试。其中，使用的粘结剂是FM300-2（Cytec，美国），固化温度是121 ℃。制备了参比样品（RE）和改性后的样品。这些改性包括热处理（TD）、除冰液污染（DI）。

将CFRP放在热风循环烘箱中进行热处理。使用三个温度等级：220℃（TD1），260℃（TD2）和280℃（TD3），并在选定的温度下保温2 h。然后磨碎CFRP，并粘在未处理的CFRP上。在SAFEWAY KF除冰液中，浸渍涂布了CFRP，制成了除冰液对粘结剂的污染效果。防冰剂含有甲酸钾，所以表面的钾（K）含量被认为是污染程度的一种测量方法。污染浓度依次为: 6.4±1.8 (DI1), 10.9±2.3 (DI2) 和12.0±1.4 at. % K (DI3)。

3. 离心方式测试附着力

离心测试是使用LUMiFrac附着力分析仪（图1）进行的。离心技术的试验原理是基于旋转。在旋转运动中，离心力 。

其中，m是旋转质量，w是旋转速度，r是旋转轴的距离。旋转速度的增加会导致负载增加。如果负载超过了样品的粘附强度，试验压模块就会在引导套筒内向外移动。试验压模的分离就也会被自动检测到。使用SEPView测量软件，可计算断裂力和粘附强度。

连接过程如图3所示。粘结剂用于带有直接置换管道的压型块（a），引导套筒放置在样品表面（b），压型块插入（c）并与样品（d）粘结。

该仪器通过USB连接到电脑上。接口用于控制仪器（测试参数的传输）和结果的传输。当前的转子-转速被不断地传送到电脑软件。断裂时刻的转速和断裂时间被保存到相关的样品位置。

准备好的样品被插入到模块中进行裂缝检测，然后放置在转子上。之后，关闭转子和离心机盖。在图4中显示了带有8个通道（测试位置）的LUMiFrac的转子。

在启动软件后，选择所用的压型块，并输入与样品位置相关的样品编号。接下来选择负载变化并增大。初始化数据记录开始离心。测试完成后，记录的数据被导出到Excel中。

4 结果

图5描述了粘附强度（AS）的结果。采用该方法对单次改性（TD和DI）的样品进行了研究。与参比样品RE相比，TD1的平均粘附强度增加。在TD2和TD3处理条件下，粘附强度下降。除冰液污染对DI1和DI2的粘附强度有相似的负面影响。DI3的平均粘附强度较低。

由此可见，使用LUMiFrac附着力分析仪，可对碳纤维布进行预粘结热处理和除冰液污染的机械和非破坏性的研究，这对航空航天器的安全非常有指导意义。

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