[发明专利]一种纤维增强复合材料表面处理方法

说明书

本发明公开了一种纤维增强复合材料表面处理方法，所述方法包括：选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光作为激光源，进行合束，2束激光具有相同的脉冲重复频率和波长，再经过光束整形元件进行光强均匀化后，垂直会聚到样品的表面；当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品的表面薄层，实现样品表面的清洁和活化；随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品的全部表面。本发明去除纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合。

技术领域

本发明涉及复合材料表面处理领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料表面处理方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料具有低密度、超高比强度和刚度，在航空航天领域已得到较为成熟的应用。碳纤维增强复合材料零件之间的粘接技术需要对零件表面进行预处理以去除杂质污染物(零件表面的脱模剂)，清洁表面，改善表面极性，提高表面能，即提高润湿性和表面张力，并活化表面，实现有效粘接。

将激光清洁技术应用于碳纤维复合材料表面处理中，可以大大地改善碳纤维复合材料的表面质量并提高零件粘接/焊接加工的质量。但是，不同波段激光表面处理效果不同，(由于树脂不能直接有效吸收)可见光和红外波段激光的大部分激光能量可以透射进入材料内部，因此，红外和可见波段激光处理热效应影响较强，激光作用过程中会产生热分解，而且，碳纤维吸收激光能量导致(碳纤维和环氧树脂)界面化学键合被破坏，产生界面损伤，在材料内部形成微气泡/孔洞，或脱层，直接影响机械性能；与之相反，紫外波段激光可以被树脂直接吸收(因为光子能量大于树脂基体化学键能)，透射深度很小，激光作用只在限定表面上，主要是光化学作用，几乎没有热效应，不影响材料的机械性能，但是，紫外激光器成本高，也不能使用光纤传输。超短脉冲激光的脉冲宽度极短光强极高，可以实现多光子吸收，以光化学过程直接去除表面污染物，而且消除/避免了长脉冲激光处理的热效应，不影响/破坏碳纤维和环氧树脂之间的界面键合。

但是，现有商用超短脉冲激光多采用放大系统才能达到工业生产所需功率，重复率一般较低(小于1MHz)、成本较高、结构复杂且效率较低，这成为超短脉冲激光工业应用的瓶颈。而工业上已成熟应用的长脉冲激光加工技术，却由于热效应，不能满足实际应用的需求。

发明内容

本发明提供了一种纤维增强复合材料表面处理方法，本发明去除纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合，详见下文描述：

一种纤维增强复合材料表面处理方法，所述方法包括：

选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光作为激光源，进行合束，2束激光具有相同的脉冲重复频率和波长，再经过光束整形元件进行光强均匀化后，垂直会聚到样品的表面；

当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品的表面薄层，实现样品表面的清洁和活化；

随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品的全部表面。

进一步地，所述超短脉冲激光的脉冲宽度为10～10000飞秒、重复频率为0.001～50MHz、功率为1～100W。

进一步地，所述光束整形元件对合束后的激光光束进行光强均匀化，以均匀光强/平顶光束辐照样品的表面。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明与传统纤维增强复合材料表面处理方法相比，可提高粘接强度；

2、本发明去除了纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合；