劉暢　楊文鋒　徐藝　張殊倫　李紹龍

摘要：隨著復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上使用量的增加，如何有效地修復(fù)復(fù)合材料在使用過程中出現(xiàn)的表面劃傷、分層、穿孔等損傷已經(jīng)成為研究的重點。膠接維修是應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，而其中涉及的復(fù)合材料表面處理是保證其性能的重要前提。傳統(tǒng)復(fù)合材料表面處理技術(shù)存在維修可控性低、重復(fù)性差、纖維容易損傷等缺點，而激光表面處理技術(shù)以其綠色、環(huán)保、可控性高等優(yōu)勢克服了傳統(tǒng)清除工藝中的種種弊端。本文綜述了近年來激光表面處理方法、激光表面處理機理以及激光技術(shù)在復(fù)合材料膠接維修方面的應(yīng)用，并對其未來的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：激光處理方法;激光處理機理;復(fù)合材料;表面預(yù)處理;膠接維修

1 引言

膠接是重要的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方法[1-3]，在各類民機制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其優(yōu)點在于靈活、快速、簡便。相較于傳統(tǒng)鉚接處理，膠接處理結(jié)構(gòu)件強度高且可減重約30%，對抗疲勞性能和表面氣動外形有一定的改善，成本也顯著降低[4]。膠接技術(shù)是推動飛機制造業(yè)發(fā)展不可或缺的一部分[5]。為了獲得理化性能更佳的表面，樹脂基復(fù)合材料在膠接處理前，需要通過預(yù)處理刻蝕掉膠接表面的污染物和樹脂，將纖維暴露以增大表面粗糙度。常用的表面處理方式一般為手工打磨或噴砂處理，然而這兩種方式對膠接表面的控制精度差，容易損傷膠接表面。研究新型高效、可靠的表面處理技術(shù)已經(jīng)成為表面處理領(lǐng)域的研究重點。

自上世紀(jì)90年代開始，激光表面預(yù)處理技術(shù)的研究逐漸推廣開來，高能量激光的可選擇性使復(fù)合材料表面污染物、樹脂發(fā)生瞬間蒸發(fā)、剝離或裂解等復(fù)雜反應(yīng)，在不損傷纖維的情況下可實現(xiàn)表面粗糙處理進(jìn)而提升材料膠接性能的目的。隨著科技的進(jìn)步，激光器的精度和效率得到大幅提高，對激光表面處理機理的研究越來越深入，激光表面處理技術(shù)的可靠性大大提高[6]，在樹脂基復(fù)合材料表面改性和提升膠接維修效果方面具有良好的應(yīng)用前景。

2 激光表面處理方法

對目前文獻(xiàn)報道的激光表面處理方法進(jìn)行總結(jié)提煉，主要有以下三種：1）激光燒蝕法，即采用脈沖激光直接對待處理材料表面污物進(jìn)行輻射去除;2）激光液膜輻射法，即首先沉積一層液膜（水、酒精或其他液體）于基體表面，然后用激光輻射去除;3）激光沖擊波式清洗法，即激光不與被處理材料表面接觸，利用空氣電離產(chǎn)生的沖擊波對材料表面污染物、樹脂進(jìn)行清除。其中，前兩種表面處理方法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多。

激光燒蝕方法如圖1所示。激光在空氣、惰性氣體或真空氛圍下直接作用于被處理基材表面，使基體表面污染物發(fā)生熱膨脹。隨著激光與被處理基體表面相互作用時間的增加，當(dāng)處理溫度低于被處理物汽化閾值時，則基體表面僅發(fā)生物理變化，由于熱膨脹系數(shù)的不同，被處理基體會發(fā)生屈曲、裂紋、斷裂，最終從基材表面剝離;當(dāng)處理溫度高于被處理物汽化閾值時，將激光能量密度控制在介于污染物與基體燒蝕閾值之間，則可以達(dá)到既有效去除雜質(zhì)，又不會對基材造成損傷的目的。

激光液膜法如圖2所示。將液膜（水、酒精或其他液體）預(yù)先涂覆在清除物表面，再用激光對其進(jìn)行燒蝕。液膜吸收激光能量后發(fā)生沸騰，爆炸沸騰的液體高速運動，高瞬態(tài)的爆炸性力量足以達(dá)到去除表面污染物的目的。Min She等人[7]用8vol%丙醇+92vol%水作為液膜，成功清除了NiP硬磁盤基材表面的Al2O3污染微粒。

激光沖擊波式清除法如圖3所示。首先，將激光焦點調(diào)整至基材附近，激光不與基材接觸，以平行于被處理基材表面的方向射出，輻射后激光焦點處的空氣產(chǎn)生電離現(xiàn)象，電離產(chǎn)生的沖擊波以圓球狀迅速膨脹擴大，當(dāng)沖擊波作用在基材污染物上時，一旦其橫向分量的力矩超過縱向分量與污染物粘附力的力矩時，污染物就被清除。葉亞云等人[8]利用激光沖擊波式清洗法成功清除了鍍金K9玻璃表面直徑15nm的SiO2微粒。

對以上三種激光表面處理方法進(jìn)行總結(jié)。激光燒蝕法具有操作簡單、使用面廣的優(yōu)點，同時也可根據(jù)激光器類型選擇適宜的工藝參數(shù)來清除各種被處理物表面;激光液膜清洗法在使用時需要考慮液膜對激光的吸收率、激光波長等因素，可用于去除一些比較難去除的基質(zhì)材料，該方法存在工藝復(fù)雜、被處理基材表面化學(xué)成分改變等問題;激光沖擊波式清洗法主要用于去除亞微米級或納米級微粒，該方法既要保證激光參數(shù)能夠電離空氣，又要控制激光與基材之間保持合適的距離，因此工藝要求較為嚴(yán)苛。

3 激光表面處理機理

激光處理基體表面時，其作用機理較為復(fù)雜，被處理基體表面與激光產(chǎn)生多種物理、化學(xué)作用。一般認(rèn)為激光表面處理機理有以下兩種。

3.1 線性激光—材料相互作用

吸收與反射：激光輻射到被處理基體表面的過程中，小部分激光能量被空氣中微粒損耗、折射，另一些激光能量被基體材料表面吸收[9， 10]，且粗糙表面更易吸收激光能量;其余的激光能量穿過基體材料繼續(xù)傳播，即R+A+T=1（R為反射率，A為吸收率，T為透射率）[11]。此外，激光在材料內(nèi)部傳播時，其能量密度沿著光軸呈指數(shù)衰減。激光強度與波長對基體材料的能量吸收起到重要作用[12]，基體材料吸收的激光能量呈現(xiàn)熱力學(xué)分布，研究者可模擬計算得到基體材料能量吸收分布情況，基體材料吸收的能量最終以熱的形式散開。

光聲效應(yīng)：當(dāng)激光強度為106～108W/cm2，激光輻照固體吸收材料時，基體材料輻照體積內(nèi)發(fā)生熱瞬變，材料單位體積的壓力迅速升高，從而形成以一定速度向周圍擴散的壓力波，即熱彈性[13]。

3.2 非線性激光—材料相互作用

當(dāng)激光強度和能量足夠大時，被處理基體材料表面被燒蝕，具體表現(xiàn)為多相流生成、等離子體的誘發(fā)等，基體材料表面微觀和宏觀界面發(fā)生變化，此時屬于非線性激光—材料相互作用范疇，其相互作用機理主要為激光誘發(fā)生成等離子體。

當(dāng)激光能量強度高于108W/cm2時，基體材料吸收能量誘發(fā)產(chǎn)生等離子體，部分離子（10%以上）被電離，當(dāng)激光作用于材料表面時，等離子體是較易產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。等離子體宏觀上表現(xiàn)為一種中性氣相，等離子體中一部分的粒子（10%或更高）被電離，這些自由電子能量逐漸累積，達(dá)到電離能量水平后產(chǎn)生雪崩倍增。按照激光的強度和時域分布，在幾納秒至幾十納秒時間范圍內(nèi)，自由電子密度能達(dá)到1018～1020cm-3的量級，且自由電子溫度升至104K。除了激光誘發(fā)產(chǎn)生等離子體，不同能量激光處理基體材料時產(chǎn)生不同的燒蝕率，燒蝕率表征不同能量激光處理過程中單個脈沖的移除效率（μg/pulse或μm/pulse），燒蝕效率用μg·J-1·cm2表征[14]。圖4為典型激光能量密度與燒蝕率之間的曲線。在高于能量密度Fth時開始觀察到激光燒蝕，F(xiàn)th的值被稱為燒蝕閾值。當(dāng)激光能量密度介于Fth-Fs之間時，激光能量密度與燒蝕率呈線性關(guān)系，其中激光能量密度為Fm時，激光表面處理效率最高。

4 激光技術(shù)在復(fù)合材料膠接維修中的應(yīng)用

激光表面處理技術(shù)是利用激光的高能量脈沖選擇性地去除復(fù)合材料中基體表面材料的技術(shù)，具有對環(huán)境無污染、表面處理穩(wěn)定可控等優(yōu)點，其在復(fù)合材料表面改性和膠接維修方面具有廣闊的應(yīng)用前景。激光器應(yīng)用于復(fù)合材料膠接維修中，主要有特定波長的紫外、紅外激光器，氣體激光器，固體激光器三類，主要是基于膠接結(jié)合的物理機械嵌鎖、界面潤濕、靜電吸附、化學(xué)結(jié)合理論，對復(fù)合材料母體表面及表層樹脂進(jìn)行激光熔蝕表面糙化處理，增加含氧（C=O）官能團(tuán)，從而提高復(fù)合材料的膠接維修性能。

當(dāng)基體材料與被處理材料表面之間性能差異較大時，采用特定波長激光可以達(dá)到清除的目的。用紫外光和近紅外光等不同波長激光對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）表面進(jìn)行處理后，CFRP的膠結(jié)強度均有明顯提高，但近紅外激光處理CFRP的加工窗口較窄，容易損傷基體材料[15]。后續(xù)研究證實了這一結(jié)論，Saira等人[16]采用脈寬4ns，波長532nm的紫外光激光處理高抗沖擊聚苯乙烯（HIPS），HIPS表面含有直徑為12～20μm的石墨顆粒以及直徑為8～30μm的聚合物小球，研究發(fā)現(xiàn)盡管激光能量密度較低，能夠滿足清除石墨顆粒和聚合物小球的工藝要求，但掃描電鏡觀測發(fā)現(xiàn)HIPS表面出現(xiàn)了局部燒蝕的損傷情況。楊文鋒等人[17]采用平均輸出功率14W、波長355nm的紫外激光處理民機碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果顯示激光處理后基體材料表面接觸角顯著下降，表面自由能增加，膠接維修后界面強度也有一定的提升。占小紅等人[18]探索了紅外脈沖激光對碳纖維增強復(fù)合材料進(jìn)行處理的最佳工藝參數(shù)，研究表明采用輸出功率為25.9W、掃描速度為9000mm/s、頻率為50kHz的紅外脈沖激光對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行處理，可以完全清除復(fù)合材料表面樹脂，使碳纖維完全裸露且?guī)缀鯚o損傷，如圖5所示。

氣體激光器特別是CO2激光器具有壽命長、功率高等優(yōu)點，在復(fù)合材料表面處理方面具有良好的應(yīng)用前景。Tomohiro Yokozeki等[19]對比了CO2激光處理CFRP表面與傳統(tǒng)砂紙?zhí)幚淼腃FRP表面情況，研究顯示：利用傳統(tǒng)砂紙?zhí)幚砗蟮奶祭w維存在折斷損傷的情況，而經(jīng)CO2激光處理后，裸露的碳纖維表現(xiàn)完整，未產(chǎn)生損傷。經(jīng)兩種方法預(yù)處理的接頭的剪切強度大體一致，約為35MPa，而未經(jīng)表面處理的CFRP膠接接頭的搭接強度只有19MPa。Nattapat M等人[20]探索了低功率連續(xù)波CO2激光器去除CFRP表層樹脂而不損傷底層纖維的技術(shù)可行性，并通過有限元模型解釋了復(fù)合材料表面去除機理。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2激光器功率為14W、掃描速度為880mm/s、光束重疊25%時，CFRP表面樹脂的去除效果最佳，激光預(yù)處理后基體表面接觸角比未處理基體、傳統(tǒng)打磨處理基體、酸洗處理基體的接觸角小;同時，激光處理后粘合部位的剪切強度顯著增大。激光清洗方法較傳統(tǒng)清洗方法有著更好的應(yīng)用前景。

固體激光器產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，相較于其他類型激光器具有便攜性高、便于遠(yuǎn)程控制和使用柔性系統(tǒng)的優(yōu)點，因此將固體激光器用于復(fù)合材料表面處理也成為了研究的重要方向。Burnett等人[21]采用Er：YAG激光處理復(fù)合材料，樹脂基質(zhì)材料燒蝕蒸發(fā)且填料粒子暴露，被處理的基體材料粘合強度得到提高。Belcher等人[22]采用三倍頻率的Nd：YAG激光掃描CFRP復(fù)合嵌板得出了相似結(jié)論。Ozel等人[23]運用波長為1064nm的Nd：YAG激光對復(fù)合材料進(jìn)行表面處理后也得出了相似結(jié)論，激光表面處理后CFRP復(fù)合材料的粘合強度提高了39%。針對激光產(chǎn)生的熱量可將表面材料進(jìn)行無差別地去除的問題，李長青等人[24]利用復(fù)合材料不同組分的導(dǎo)熱性差異，提出了激光選擇性消融復(fù)合材料表面預(yù)處理的方法。采用Nd：YAG激光器對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行選擇性表面預(yù)處理，并測試膠接維修的拉剪性能。研究顯示，與未進(jìn)行激光消融處理的復(fù)合材料相比，進(jìn)行激光消融的復(fù)合材料的表面活性明顯提高，C=O官能團(tuán)增加約87%，膠接維修后的拉剪強度提高了約36%。Meire等人[25]發(fā)現(xiàn)短脈沖、高脈沖能量、高頻率、長時間輻射的脈沖鉺激光處理樹脂基復(fù)合材料能夠得到更優(yōu)的清除效果。liveira等人[26]利用波長1024nm、脈寬550fs的脈沖激光對CFRP進(jìn)行表面處理，掃描電鏡結(jié)果顯示，材料表面樹脂被成功清除，碳纖維界面存在亞微米尺寸的波紋狀微觀形貌，這為膠接維修提供了大量的咬合點，膠接面積明顯增大，膠接強度顯著提高。因此，采用飛秒激光清洗復(fù)合材料表面，除了具有超短脈沖激光清洗的燒蝕效應(yīng)外，還有對碳纖維表面進(jìn)行微加工的作用，飛秒激光在復(fù)合材料膠接維修中擁有極大優(yōu)勢。

激光處理復(fù)合材料的熱效應(yīng)研究也引起了一些研究者的關(guān)注。他們采用有限差分法研究了半無限體表面邊界燒蝕率，提出了熱平衡積分法理論。隨后人們進(jìn)一步修正了該方法，其研究范圍也從溫度場和質(zhì)量損失拓展到復(fù)合材料力學(xué)性能（拉伸強度、剪切強度等）失效。在此基礎(chǔ)上，也有學(xué)者提出了三維激光燒蝕復(fù)合材料模型[27-29]。王以忠等人通過有限元模擬計算了激光輻射作用下復(fù)合材料內(nèi)部溫度場及熱應(yīng)力場的分布情況[30]。針對連續(xù)激光處理復(fù)合材料的熱效應(yīng)，研究者發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料質(zhì)量損失與激光輻照時間呈正比例關(guān)系;當(dāng)激光能量密度較低時，復(fù)合材料主要發(fā)生熱力學(xué)分解，且隨著激光能量密度的增強復(fù)合材料質(zhì)量損失率也隨之增加;當(dāng)激光能量密度升高到臨界閾值時，復(fù)合材料氧化分解作用開始加強[31， 32]。針對CFRP層板激光燒蝕問題[33， 34]，研究結(jié)果顯示：300℃～450℃，環(huán)氧樹脂發(fā)生熱分解;450℃～650℃，環(huán)氧樹脂的殘?zhí)及l(fā)生氧化反應(yīng);650℃～850℃，碳纖維發(fā)生碳化分解反應(yīng)。

5 總結(jié)與展望

隨著科技的發(fā)展，激光表面處理技術(shù)將以其綠色、環(huán)保、高精度等優(yōu)勢克服傳統(tǒng)清除工藝的種種弊端，在工業(yè)發(fā)展中提供越來越有效的潛在價值，目前有關(guān)復(fù)合材料激光處理的研究越來越多。綜合文獻(xiàn)報道，大部分處理工藝采取相互作用時間短的納秒短脈沖激光，但該工藝存在成本高的缺點，此外如何選擇性清除樹脂而不損傷纖維成為了研究重點。對于激光清除機理，研究者們提出了激光工藝參數(shù)、激光輻照時上升氣流、復(fù)合材料粘接機械因素之間的相互作用，但該理論還沒有完全運用于實際。

目前，激光表面處理技術(shù)在復(fù)合材料膠接維修的應(yīng)用仍有以下三點需進(jìn)一步研究。第一，大多數(shù)的研究主要針對激光對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)處理后其宏觀結(jié)構(gòu)的變化，往往忽略其微觀結(jié)構(gòu)的變化;第二，激光輻照過程中，由于復(fù)合材料具有的各向異性導(dǎo)致其發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)變化仍需要深入研究;第三，激光輻照下復(fù)合材料的溫度場及熱學(xué)、力學(xué)損傷的精確模擬仍是研究的重點之一。

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