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复合材料等离子表面处理提高粘接性能原理

Oct. 08, 2023

粘接是将被粘接材料结构件的待粘接区域,经过表面加工、处理、涂覆胶粘剂以及固化等一系列工艺过程,使被连接件形成整体的一种连接方式。除了应用于非金属的连接外,也可以应用于金属与非金属之间的连接,比如复合材料与各种金属、橡胶以及其他金属和非金属之间的连接。

在热塑性复合材料的粘接中,表面处理对热塑性复合材料结构件的粘接性能影响很大。适当的预处理有时会赋予表面额外的属性,因此,在使用胶黏剂之前一般要进行表面处理,以达到最大机械强度。

表面处理过程中最重要的一步是形成合适的表面化学组分,表面组分的完整性直接影响粘合剂的耐久度。表面处理中最常见的误解是,良好粘接的唯一要求是干净的表面。清洁的表面是粘接的必要条件,但不是粘接耐久度的充分条件。大多数结构胶黏剂的工作原理是在被粘物表面原子和构成胶黏剂的化合物之间形成化学键(主要是共价键,但也可能存在一些离子和相互作用力)。这些化学键是粘接物之间的载荷转移机制。大多数粘接失效可归因于制造过程中的不良工艺,其中最主要的缺陷就是是缺乏合适且高质量的表面处理工艺。

复合材料等离子表面处理提高粘接性能原理

等离子表面处理技术是指通过等离子体中的高能粒子对表面进行轰击,使表面物质降解,增加表面粗糙度,若等离子体中有其他活性粒子,如氧离子,则可与表面物质发生反应而使表面活化的一种方法。等离子处理技术可适用于纤维、塑料、橡胶以及复合材料的表面处理。

根据气体类型的不同,等离子体中的粒子组成也不同,但这些粒子均由电子、正负离子、自由基和未被电离的分子、原子组成。在等离子处理物质表面时,高能电子会首先轰击物质表面,使表面的化学键断裂,并形成小分子而挥发。在化学键断裂的同时,等离子体中的活性成分,如氧离子、自由基,可与表面因电子轰击而断裂的化学键重新结合,残留在表面而活化表面。

一方面高能态的等离子体粒子轰击复合材料表面,使复合材料高分子链断裂,发生氧化,引入了—COOH、C=O、—OH等极性基团,导致材料表面水接触角降低,亲水性提高,润湿性得到改善,这些活性基团可在粘接时与胶黏剂发生化学键合,能显著提高粘接强度。

另一方面等离子体处理会略微增加复合材料的表面粗糙度,这是由于等离子体表面处理具有一定的表面清洗与刻蚀作用。糙度增大有利于增强粘接剂与复合材料表面的物理镶嵌作用,同时比表面积增大会增加粘接剂的有效附着面积,可以有效增加粘接剂和复合材料之间的结合强度。

低温等离子表面处理技术在纤维、塑料表面处理领域已有广泛的研究,并有相当数量的工业化应用实例。应用于复合材料粘接表面的等离子处理技术已有大量研究,通过控制气体种类、气压、放电功率、处理时间等措施,可以使复合材料制件粘接表面的表面质量显著提升,达到甚至超过机械打磨法所获得的粘接强度,从而可以克服打磨方法或可剥布法受人工因素影响较大、难以实现连续化生产、生产效率较低且同时会产生较多的工业垃圾等缺点,因此等离子表面处理技术是取代传统处理方法的最佳选择之一。

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