人們(men) 研究了在粘合之前獲取理想表麵質量的各種技術。這些措施包括采用剝離層，以及各種機械製備技術，例如研磨或噴砂處理。遺憾的是，每種工藝都有它們(men) 自身的缺陷，要麽(me) 是速度問題，要麽(me) 是複雜度問題，要麽(me) 需要後續的清洗操作。

以準分子激光為(wei) 基礎的表麵清潔和燒蝕技術現在可以提供一種實用的替代方案，采用此技術產(chan) 生的表麵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(hui) 添加進來。基質通常是環氧基樹脂或某些其它聚合樹脂，它將增強材料包圍起來，並將其綁定在一起。

使用帶狀鋪疊、模塑、樹脂傳(chuan) 遞成型或編織等各種技術可以製造出各種形狀和尺寸的碳纖維增強塑料組件。構造更大型的混合結構，如飛機零部件，就需要將各個(ge) 裝配式碳纖維增強塑料組件連接起來。具體(ti) 來說，采用傳(chuan) 統的緊固件（比如螺釘或鉚釘）需要鑽孔，這就會(hui) 破壞載荷纖維的結構。此外，這些緊固件周圍的內(nei) 部應力可能會(hui) 很高，因為(wei) 它們(men) 將承載功能集中在一個(ge) 小區域內(nei) 。這可能需要在應力點周圍使用加強件，這必然會(hui) 增加組件的總重量。最後一點，金屬緊固件本身可能會(hui) 顯著增加組件的重量。後兩(liang) 個(ge) 因素會(hui) 降低碳纖維強化塑料高強度和低質量的特性，而這是碳纖維強化塑料最為(wei) 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(ti) 地說，它不需要在碳纖維塑料上打孔，可以將機械負荷分布在整個(ge) 接合麵上，而且也不會(hui) 增加組裝件成品的重量。

然而，為(wei) 了實現高強度的粘接，必須將之前殘留在表麵的脫模劑和其他表麵汙染物去除。這一點至關(guan) 重要，因為(wei) 眾(zhong) 所周知，粘接強度與(yu) 粘接之前的表麵清潔程度高度相關(guan) 。但是，清潔過程不能對基底的CFRP產(chan) 生任何損壞，特別是不能損壞載荷纖維。

表麵處理技術

目前，在進行粘合之前，對碳纖維材料零件進行清洗和準備工作的技術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，大多數機械研磨工藝生產(chan) 效率低下，並且通常需要進行濕態操作， 這就意味著隨後還需要進行衝(chong) 洗和幹燥的過程，進一步增加了生產(chan) 成本，延長了加工時間。同樣的，噴砂處理也會(hui) 使纖維有損壞的風險，留下殘餘(yu) 物和灰塵，從(cong) 而不得不增加後續的清洗過程。

航空航天領域流行的CFRP表麵粘接準備工藝是使用剝離層。這些剝離層是織物製成的片材，在基材樹脂固化之前將片材插入CFRP表麵，然後在粘接之前去除。這種技術能夠得到可重現的粗糙度和清潔表麵，從(cong) 而保證良好的粘接。剝離層的主要缺點是它們(men) 必須經過層壓製成零件，這就增加了製造過程的複雜性。另外，這種方法並不適用於(yu) 修複粘接件。剝離層的效率和可重複性也存在問題。

激光表麵處理的優(you) 勢

激光表麵預處理工作包括在碳纖維塑料上燒蝕一薄層材料。在其它應用中，這種清洗方法已被證明能夠避免幾乎所有其它技術的缺陷，並能有效率去除幾乎所有的殘留汙染物。和機械技術不同，激光清洗幾乎不需要進行表麵處理，可以在幹燥狀態下進行，清洗後的材料表麵不會(hui) 留下殘餘(yu) 物，容易操作， 產(chan) 品質量高度一致，因為(wei) 這是一種無磨損非接觸工藝。此外，可以應用於(yu) 碳纖維塑料修複工作。

但是，為(wei) 了讓激光清洗工藝產(chan) 生比機械方法和剝離層方法更好的效果，激光清洗不能夠對整塊樹脂或負載纖維造成損傷(shang) 。這樣的話，使用遠紅外CO2激光器、近紅外固體(ti) 激光器和光纖激光器等波長較長的激光器時就會(hui) 有問題，因為(wei) 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(hui) 造成纖維損傷(shang) 以及基體(ti) 的破裂。相反，紫外激光器主要通過光切除而非熱機製來去除材料， 從(cong) 而不會(hui) 產(chan) 生熱影響區域，並能進行高度精確的材料去除。（見圖1）

就現有的紫外激光技術來說，脈衝(chong) 準分子激光器能提供最大的脈衝(chong) 能量（高達2J）。此外，準分子激光器產(chan) 生大的矩形光束易於(yu) 塑形和均質化，從(cong) 而匹配碳纖維塑料表麵預處理應用的幾何結構。總的來說，這些特性可以實現材料的快速去除和高效的生產(chan) 能力，甚至在應對更大型的碳纖維塑料零件時也是如此。現有的準分子激光器由於(yu) 能超過一年以上時間在三班製高占空比操作中都不需要進行維護，在其它工業(ye) 應用中已有良好的表現記錄。

準分子激光器清潔

因為(wei) 準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精確的應用。然而，所有的CFRP處理方法通常是兩(liang) 種基本方法的變體(ti) ，即線掃描或步進- 重複方式（見圖2）。

在線掃描方式中，激光光束呈線條狀（即一個(ge) 長寬比非常高的矩形），連續地橫掃待清理的表麵。材料特定區域上輻照的脈衝(chong) 數目是由線寬、光線移動速度和激光的重複頻率共同來確定的。如果線路長度比待清潔的區域的寬度短，則需要在該區域內(nei) 設置幾個(ge) 相鄰的通道。

在步進-重複方法中，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麵的一個(ge) 固定點上進行輻照，並形成一個(ge) 曝光區域（由一道或者更多激光脈衝(chong) 組成）。隨後，激光光束依據其寬度被轉換成與(yu) 光束寬度相對應的距離，該過程不斷重複，待清潔的整個(ge) 區域就被以這種方式輻照。

需要清潔的整個(ge) 區域按照這種方式依次完成。對於(yu) 兩(liang) 種方法來說，考慮到準分子光束傳(chuan) 遞光學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。

準分子激光測試結果

德國Braunschweig技術大學粘接和複合材料技術係對使用Coherent公司的 LPXpro 305準分子激光器進行表麵處理的碳纖維塑料的粘接強度進行了測試，並將該結果與(yu) 使用傳(chuan) 統表麵處理方法後的碳纖維塑料的粘接強度進行對比。在這一研究中，準分子激光器獲得，輸出波長設定為(wei) 308nm，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 28ns。原始激光輸出被轉換成30mm×1.8mm的區域大小，其能量密度在整個(ge) 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。通過改變激光重複頻率和掃描線速度，碳纖維塑料上給定點的脈衝(chong) 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(chan) 的典型的航空航天預浸料，模具上被塗刷了一層有機矽基的脫模劑。掃描電鏡圖（圖3）顯示了準分子激光技術能夠嚴(yan) 格控製粘接和基質材料去除， 且不會(hui) 對曝露的纖維造成損害。

在激光清洗後，粘接好樣品，並測量粘接的強度。從(cong) 測試的結果可以清楚地看出，相對於(yu) 未處理的參考樣品，研磨和激光清潔兩(liang) 種方法都能夠大幅度提高粘結強度。在這個(ge) 測試中，用600mJ/ cm2脈衝(chong) 能量的兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 輻照CFRP的指定區域，能夠達到最高的粘接強度。即使出現了問題，也發生在基質內(nei) 部而非粘接邊界，這意味著粘接強度要高於(yu) 整個(ge) 基質材料。

以較低的脈衝(chong) 能量運行隻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麵汙染物，這就降低了最終的粘接強度。

在最佳輻照強度之上，激光已經完全消除了重疊的純環氧樹脂層，或者，在最高的輻照強度下，激光會(hui) 開始損壞纖維的浸潤劑（塗料指碳纖維表麵的化學塗層，能夠增強與(yu) 基體(ti) 樹脂的粘度）。造成的結果就是總剪切強度降低，從(cong) 而導致界麵失效。

雖然其它粘接和基體(ti) 材料配方的最佳脈衝(chong) 數量和能量密度可能有所不同，上述測試清楚地表明，使用正確參數的準分子激光處理技術能夠獲得的最大抗剪切強度要達到或超過使用研磨技術的結果。在本次實驗設定的參數下，LPXpro 305準分子激光清潔可以達到0.16m2/min（9.6m2/h），略慢於(yu) 商用速度。但是，現在也有功率超過30W（平均功率）的準分子工業(ye) 激光器。例如， Coherent LSX係列激光器的平均功率為(wei) 540W。使用和測試中同樣脈衝(chong) 能量的搭接方式，但是重複率為(wei) 600Hz，清潔效率就能達到0.97m2/min（58.3m2/h，從(cong) 而適用於(yu) 許多典型的CFRP部件的生產(chan) 過程。

總之，如果在進行粘接之前能夠適當處理好粘接表麵，那麽(me) 碳纖維塑料粘接比其它連接技術具有更多優(you) 勢。準分子激光器表麵處理技術在最終粘接強度上能優(you) 於(yu) 其它方法，同時也更經濟適用。此外，這一技術具有很高的可重複性，非常適合於(yu) 批量生產(chan) ，是一種連續而穩定的工藝。