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上海斯邁歐分析儀器有限公司
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傅立葉變換紅外光譜分析等離子體處理過(guò)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
2022-4-16 閱讀(305)
言 由于兼具質(zhì)量輕、伸縮性好和抗沖擊性強(qiáng)等*性質(zhì)，工程的 CRFP 廣泛應(yīng)用 于商用和航空域。CFRP 是一種有機(jī)材料，其物理和化學(xué)應(yīng)力與航空制造 業(yè)中使用的金屬有明顯的不同。Agilent 4100 ExoScan FTIR 是一種實(shí)用性很高 的無(wú)損分析儀，可用于檢測(cè)由于高溫暴露對(duì) CFRP 造成的破壞性的化學(xué)氧化變化。 在本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)中，我們將展示 4011 ExoScan 同樣能夠有效地測(cè)量等離子體處理 對(duì) CFRP 剝離層的修復(fù)和激活特性，以使 CFRP 各部分之間實(shí)現(xiàn)鍵合。
復(fù)合材料零件通常采用預(yù)浸料成型，也就是將預(yù)浸料填充 于模具中以獲得所需的形狀。該過(guò)程先是將預(yù)浸料置于 其他材料的各層之間，然后將整個(gè)體系置于真空當(dāng)中。剝 離層（脫模布）通常用于防止復(fù)合層壓板與其他薄層發(fā)生 相互粘連。該層包含一種化學(xué)脫模劑，通常是聚二甲基硅 烷 (PDMS) 或者基于碳?xì)浠衔锏牟牧希ㄏ灒?。從成型?CFRP 部件中去除剝離層后，難免會(huì)有一些脫模劑殘留，因 此必須進(jìn)行處理并活化 CFRP 表面，從而獲得鍵合。 表面處理和活化通常采用射頻等離子體。在等離子體清除 過(guò)程中，如果 CFRP 部件處理不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致次優(yōu)化的成鍵 表面。處理不足會(huì)使脫模劑不能充分發(fā)生改變，而處理過(guò) 度雖改變了脫模劑，但也會(huì)導(dǎo)致 CFRP 出現(xiàn)熱損傷。處理 不足還會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的粘接失效，從而大地降低其機(jī)械 強(qiáng)度；而處理過(guò)度將會(huì)導(dǎo)致 CFRP 損傷，但對(duì)剝離強(qiáng)度影 響不大。因此，精細(xì)的等離子體處理過(guò)程是非常有必要的， 確保材料表面得到有效的處理同時(shí)還能將 CFRP 的熱損傷降 到低。 等離子體處理的有效性主要取決于等離子體噴嘴在 CFRP 表 面移動(dòng)的速度以及噴嘴和樣品表面的距離。以上兩個(gè)參數(shù) 的微小變化都會(huì)導(dǎo)致等離子體處理的有效性大大降低。本 研究主要是證實(shí)采用手持式 FTIR 可以無(wú)損檢測(cè)和測(cè)量等離 子體處理后 CFRP 的化學(xué)變化，同時(shí)通過(guò)多變量預(yù)測(cè)算法來(lái) 客觀評(píng)價(jià)等離子體處理的有效性。
實(shí)驗(yàn)部分 材料、實(shí)驗(yàn)方法和儀器 為了驗(yàn)證手持式 FTIR 設(shè)備，例如 4100 ExoScan 和新推 出的 4300 手持式 FTIR（參見(jiàn)工具欄）在測(cè)量等離子體處理 的有效性方面的能力，本實(shí)驗(yàn)采用了測(cè)量 CFRP 層間粘接剝 離強(qiáng)度值 G1c 的方式進(jìn)行。先，固定等離子體噴嘴的橫 向移動(dòng)速度，遞進(jìn)地改變噴嘴到樣品表面的縱向距離，由此 測(cè)定 CFRP 測(cè)試條 FTIR 光譜的變化與等離子體噴嘴到樣品 表面的距離的關(guān)系。通過(guò)這種方式，所有的表面處理狀態(tài)， 如處理過(guò)度處理和處理不足，都可以通過(guò) FTIR 測(cè)量 獲得。含有 PDMS 或蠟狀脫模劑的 CFRP 處理表面，在經(jīng) 過(guò)上述的等離子體清除處理后可以采用 4100 ExoScan 進(jìn)行 測(cè)試。FTIR 系統(tǒng)配有高收集效率的漫反射采樣接口（圖 1）。 所有 FTIR 譜圖都包含 128 張重復(fù)疊加掃描的干涉圖，可以 在 1 分鐘左右獲得 8 cm-1 的分辨率。
CFRP 樣品從模具中取出來(lái)后直接進(jìn)行等離子體處理。同時(shí) 制備了一些表面含有 PDMS 和蠟狀脫模劑的 CFRP 樣片。等 離子體噴嘴在每個(gè) CRFP 樣片上的橫向移動(dòng)速度為 6 cm/s， 對(duì)樣片表面的掃描時(shí)間大約 4.5 。等離子體噴嘴與樣片表 面之間的距離通過(guò)預(yù)設(shè)的程序控制，變化范圍為 20.5 mm 到 5 mm（圖 2）。噴嘴與樣片縱向距離（間 隙尺寸）將造成對(duì)樣片表面的處理不足，樣片在 100 °C 下 還能保持良好。若因?yàn)殚g隙尺寸較小而使噴嘴距離樣片太 近，將會(huì)對(duì)樣片造成過(guò)度處理，使樣片表面的瞬間溫度超出 260 °C。在整個(gè)處理過(guò)程中，對(duì)樣片的表面進(jìn)行了 20 次紅 外測(cè)量。由譜圖可見(jiàn)，每一次測(cè)量樣片表面的溫度均有所 差異。另外，本實(shí)驗(yàn)還對(duì)許多經(jīng)過(guò)不同高度的等離子噴嘴 處理過(guò)的樣片進(jìn)行粘接剝離強(qiáng)度測(cè)量。
