复合材料胶接表面的等离子处理技术_袁协尧

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辉光放电等离子体
辉光放电
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又分为低气压辉光放电和大气压
这是一种 辉光放电。低气压下容易实现辉光放电， 稀薄气体中的自持放电现象。低气压辉光放电主要 用于氖稳压管、 氦氖激光器等器件的制造。 大气压 辉光放电是近年来的研究热点， 指的是大气压下气 体在电极之间均匀稳定地放电。 实际上， 大气压辉 光放电的产生和维持都比较困难， 容易由辉光放电 过度到电弧放电， 产生高温灼烧。 为了获得大面积 的大气压辉光放电， 已经研究出了多种方法， 如等离 子阴极放电、 毛细管放电、 微空心阴极放电、 多针电 阻电极放电。与低气压辉光放电不同， 大气压辉光 放电是一种均匀的放电过程， 可以产生大面积、 均匀
94 2016 年 5 月 复合材料胶接表面的等离子处理技术
复合材料胶接表面的等离子处理技术
袁协尧，杨 洋，陈 萍，刘卫平
200436） （ 上海飞机制造有限公司，上海
摘要： 介绍了等离子的定义 ， 简要描述了等离子处理技术的原理及其在纤维表面改性的应用 ， 综述了近年来国内外等离 子处理技术在处理复合材料待胶接表面的研究进展 ， 阐述了等离子处理技术在处理过程中需要重点考虑的几个关键因素 ， 如 功率、 时间、 气体种类和气压等， 同时阐述了表征处理结果的方法 ， 如平均表面粗糙度、 接触角 （ 水 ） ， 以及胶接完成后的剪切强 指出国内开展等离子体处理复合材料胶接表面研究存在的问题 。 度、 破坏模式。最后， 关键词： 等离子体； 复合材料； 树脂表面； 表面处理； 胶接 中图分类号： TB332 文献标识码： A 文章编号： 1003－0999（ 2016） 05－0094－07
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介绍了等离子清洗技术在航空制
造技术中应用， 如铝合金口盖的粘接、 芳纶塑料之间 的粘接等。芳纶塑料的表面光滑且化学惰性很高， 直接涂胶粘接的效果较差， 经等离子活化处理后， 表 面活性增强， 粘接效果也显著增强， 且随着等离子处 理工艺参数的改进， 粘接效果进一步提高。 尽管如 此， 该文中未涉及复合材料树脂表面的处理 。 近十多年来， 国外关于等离子体处理复合材料 胶接表面的研究逐渐增多， 较为系统地研究了放电 模式、 放电功率、 气体类型、 气体压力、 气体流速、 处 理时间等对最终处理结果的影响。 目前， 已有较为 成熟的处理方法应用在新一代的飞机用复合材料制 FＲP / CM 2016. No. 5
Fig. 1
图 1 电容耦合射频等离子处理设备 Capacitively coupled radio frequency plasma system
作者通过研究放电功率、 气体流 在该工作中， 速、 真空度及表面处理的时间对胶接接头表面能 、 胶 接质量的影响， 结果发现： 在 400 800μm 汞柱压力 下， 控制功率为 10 30W， 处理时间为 10s 2min， 都 能得到较为理想的胶接表面。 与此同时， 当处理时 间延长至 30min 时， 复合材料自身的拉伸模量降低 7% ， 拉伸破坏强度降低 10% ， 其原因是长时间的高 能粒子轰击使得复合材料发生热降解 。 图 2 描述该 工作中氩气的气体流速、 真空度、 功率和处理时间对 平均剪切强度和表面自由能的影响 。 FＲP / CM 2016. No. 5
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产生等离子的方法
在工业中， 有多种装置可以产生等离子体， 如产
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“托克马克 ” 生高温等离子体的 装置
， 能够通过超
1221 收稿日期： 2015基金项目： 上海市科委项目 （ 12dz1100500） ） ，男，博士，工程师，主要从事先进胶接工艺研究，yuanxieyao@comac. cc。 作者简介： 袁协尧 （ 1987-
气体流速、 真空度、 功率及处理时间对平均剪切 强度和表面自由能的影响 Fig. 2 The influence from flow rate of Ar，vacuum pressure， power，and treatment time on average shear strength and surface free energy 图2
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等离子表面处理技术的研究进展
等离子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。 根据气来自百度文库类型的不同， 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
。
应用于通用塑料及橡胶的等离子处理技术较目 前机械打磨、 抛光等方法相比， 虽能获得较好的表面 质量， 但处理成本较高， 难以大量推广应用， 但适合 对粘接质量要求较为苛刻的场合。 即便如此， 仍有 相当的报道研究， 重点关注于处理过程中表面形貌 及组成变化
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。
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目前， 国内关于等离子处理技术的应用研究主 要集中于纤维的表面处理 。 经等离子处理后， 纤维与树脂的界面结合力能够明显提升， 剪切强度 显著提高。然而， 国内关于等离子处理复合材料树 脂表面的应用研究鲜有报道。沈阳飞机工业集团公 司的沙春鹏等
96 2016 年 5 月 复合材料胶接表面的等离子处理技术 造工 艺 中。 美 国 Plasmatreat 公 司 发 明 的 Openair Plasma 系统， 可以应用于飞机用复合材料结构胶接 面处理
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介质阻挡放电等离子体
介质阻挡放电 （ DBD ）
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是目前最有前途的等
它不仅可以在大气压或低气压 离子处理方法之一， 下直接操作， 即便在高气压下， 也可以避免电弧放 电。DBD 设备构造简单， 却能够产生稳定的等离子 源。DBD 处理过程无需使用真空设备， 因此设备成 本和运行成本都大为降低， 使得等离子处理发展成 连续化工艺成为可能。 DBD 是将绝缘介质插入放 电空间的一种非平衡态气体交流放电， 放电形态较 为均匀， 充满整个三维空间， 而并非集中于局部的某 个放电通道。其优势是利用介质对击穿通道进行阻 挡， 防止了电火花和电弧放电的产生 。
大功率将等离子体加热到 4000 万摄氏度， 能够实现 可控核聚变。同时还有多种可以产生低温等离子体 的装置， 能够广泛应用于各种材料的表面处理。 产 生低温等离子体的方法有辉光放电 、 介质阻挡放电、 电晕放电、 射频放电和微波放电等。
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电晕放电等离子体
电晕放电
［2， 3 ］
是指在高气压下 （ 一个标准大气
等离子体， 是指物质处于除固态、 液态、 气态之 ， 外的第四聚集态， 即已经电离的“气体 ” 实际上该 物质是处于一种高度激发的状态 。等离子体中含有 电子、 离子、 原子、 分子和自由基等。 分子或原子内 部均由原子核和电子构成， 电子数量和原子核内部 的质子数量相等， 电子位于原子核外的电场之中， 围 绕原子核以不同的轨道旋转， 整个体系处于较稳定 的状态， 在宏观看来物质便处于气态、 液态、 固态中 的一种或几种。在特定条件下， 如光、 磁、 电、 热等能 提供足够外部能量的条件下， 分子或原子外层电子 的势能明显降低， 电子受到的束缚降低而脱离原有 的轨道， 逃逸到自由空间， 即到达所谓的电离状态， 此时， 原粒子变为带正电荷的离子和带负电荷的电 子。若组成物质的全部原子或分子均被电离成正离 子和负离子， 则该物质即处于等离子体态。 自然界中和宇宙中等离子体是广泛存在的 。 在 自然界中， 火焰、 极光、 闪电的出现都伴随着等离子 体的产生。在宇宙中， 构成全部质量 99. 9% 的恒星 即由高温等离子体组成。 在地球的大气层顶部， 有 一充满等离子体的电离层。在等离子体之间的相互 作用下， 地面发射的无线电波在电离层能发生反射 和折射， 从而确保无线电波能远距离传送 。
2016 年第 5 期
97 玻璃钢 / 复合材料 由图 2 可以看出， 未经任何处理的接头胶接后 剪切强度为 13MPa， 表面自由能为 25mJ / K。经适当 处理后， 剪切强度可以增加至约 30MPa， 表面自由能 增加至 60mJ / K。同时， 可以观察到气体流速在一定 范围内基本不会影响剪切强度和表面自由能 。 当功 率达到 20W 时， 处理效果已十分显著。 过高的功率 会破坏表面， 导致剪切强度和表面自由能同时下降 。 该研究同时表明增大处理功率和增加处理时间有类 似的结果。 美国加 利 福 尼 亚 大 学 洛 杉 矶 分 校 的 Williams 等
［21 ］
。该系统可以在手持或自动化条件下， 采
用常压低温等离子体对胶接面进行清洗， 获得可以 进行结构胶接的表面。
［2224 ］ 采 韩国科学技术研究院的 Jin Kook Kim 等
用射频耦合等离子设备处理碳纤维 / 环氧树脂的胶 接接头表面， 然后通过接触角、 平均表面粗糙度、 扫 描电镜、 原子力显微镜等方法描述被等离子处理过 的表面， 采用拉伸搭接剪切方法描述胶接强度和接 头破坏模式。该研究中所使用的设备如图 1 所示， 该设备采用高纯氩气作为气源， 在真空环境中通过 介质阻挡放电产生等离子。
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微波放电等离子体
微波放电
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是将微波能量转换为气体分子
的内能， 使之电离、 激发以产生等离子体的一种气体 放电方式， 是一种电离程度较 DBD、 辉光放电更高 的放电模式， 并同时具有更高的化学活性。 微波放 电同时也是一种无电极放电， 避免了电极材料对等 离子体的污染。 典型的微波放电应用频率为 2450 MHz， 可用于金刚石气象沉积、 甲烷制氢， 气体净化、 表面蚀刻等方面。微波放电可以在常压或更高的气 压下实现。 在以上的几种放电形式中， 所产生的等离子体 均可用于材料的表面处理， 但适合复合材料胶接表 面等离子体处理的放电方式必须具有以下几个特 点： ① 可以在常压下实现稳定的放电， 减少制造成 本； ②可以实现连续化生产； ③可以在较大空间内产 生均匀的等离子体， 满足大尺寸零件的生产需求； ④ 处理效率需满足实际生产需求。
压以上） ， 其中一个电极曲 将高压电施加在电极上， 形成分布不均匀的电场 率半径较小 （ 比如 尖 端 ） ， （ 放电电流一般在微安级别 ） ， 在电极表面附近有强 烈的激发和电离， 生成等离子体， 并伴有明显的亮 光。电晕放电广泛存在于自然界中， 但由于电场分 布十分不均匀， 在工业中难以得到应用。
FＲP / CM
2016. No. 5
2016 年第 5 期
95 玻璃钢 / 复合材料 的等离子体。在几种气体中， 比较适合形成大气压 辉光放电的是氦气或氦气和氧气的混合气体 。 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。因此通常经等离子体处理后的表 面， 粗糙度会显著增加， 同时表面会留有活性基团， 这些活性基团可在胶接时与胶黏剂发生化学键合， 能显著提高胶接强度。若产生等离子体的气体中仅 含有惰性成分， 则只能生成一个粗糙的表面。 用于复合材料增强用的碳纤维表面光滑且惰性 较高， 未经表面处理增强树脂时， 纤维表面剪切力薄 弱， 增强效果不佳， 极易在纤维树脂界面处发生破 坏。等离子表面处理是碳纤维表面处理技术中的重 要一种， 相比于其他氧化处理、 表面涂层方法， 等离 子处理方法对纤维自身性能损伤最小， 且处理过程 几乎 无 其 他 废 物 产 生， 是一种环境友好型的处理 工艺