激光加工双级结构对Al/CFRPEEK 接头组织及性能的影响

徐孟嘉,刘博生,毕晓阳,王振民*

华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641

航空航天装备要求不断降低起飞重量、增大航程、提升巡航能力、提高可靠性和延长使用寿命等,这些性能的提升在很大程度上取决于轻质化、高性能、低成本材料的开发和使用。由于碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon-fiber-reinforced thermoplastic,CFRTP)高比强度、耐腐蚀和抗疲劳等优点,越来越广泛地应用于飞机、运载火箭和卫星等主结构和二次结构。以上领域中的一些高端结构主要采用CFRTP与铝合金的混合组件,这就不可避免地涉及CFRTP 与金属的异种材料连接问题。由于聚醚醚酮(PEEK)具有耐高温、高机械性能、低密度及良好的加工性等优势,在CFRTP的基体材料中有大量应用,即碳纤维增强PEEK 复合材料(Carbon-fiber-reinforced-PEEK,CFRPEEK)。现有的研究工作表明,由于PEEK 材料自然表面的极性基团较少,导致CFRPEEK 表面的粘附性能极弱,金属与CFRPEEK 之间无法产生键合作用,为CFRPEEK/金属异质结构制造造成了极大阻碍。

传统的CFRTP与铝合金的连接工艺方法主要为机械连接和粘接。但是机械连接易产生应力集中和增加重量等问题；粘接存在工艺周期长、污染环境和降低接头疲劳性等问题。一些研究人员也在不断尝试焊接方法,例如,激光焊被证明有实现热塑性复合材料和金属高效连接的潜力,但其焊接参数过多而影响接头质量和可靠性；超声波搭接焊的焊接时间短、接头强度高,然而通常只能用于焊接长度不超过几厘米的小部件；搅拌摩擦焊的工艺周期短,没有环境污染,操作简单,机械性能良好,但材料尺寸和接头几何形状限制了该工艺的应用。

在摩擦搭接焊中,搅拌头在金属工件上表面高速转动产生热量,热量通过热传导从金属部件传递到复合材料部件,并在邻近界面的狭窄区域中熔化树脂,实现金属和热塑性复合材料的连接。连接过程中金属不熔化,通过复合材料基体树脂的熔化和再凝固形成具有较高连接强度的连接界面,不会对母材造成损害,是一种节能环保的异种材料连接工艺。Nakata等提出利用摩擦搭接焊进行热塑性树脂尼龙6和铝合金的连接。将摩擦搭接焊用于乙烯-丙烯酸共聚物EAA 和铝合金的连接,提出铝合金表面氧化物与EAA 表面羧基(—COOH)之间的氢键作用是其连接的主要机理。Wu 等成功将摩擦搭接焊用于铜和碳纤维增强尼龙6复合材料的连接,该研究表明,在CFRTP表面的酰胺基和铜表面的氧化铜之间形成氢键起着主要连接作用,接头强度主要受有效连接面积和基体材料热分解程度的影响,与焊接速度相关；Wu等进一步提出了搅拌头位置偏移减少CFRTP/铜接头气泡和提高连接强度的方法。

以往的研究工作大多集中在极性热塑性基体的CFRTP与金属的连接上,而非极性热塑性基体的CFRTP与金属的连接,如CFRPEEK 与铝合金的摩擦搭接焊连接则鲜有报道。提高PEEK熔体对金属表面的润湿铺展性是促进热塑性复合材料/金属连接的途径之一。通常认为,通过金属表面处理,控制金属表面粗糙度和表面能,有助于提高PEEK 熔体对金属表面的润湿铺展性,特别是产生超疏水表面,这有助于提高CFRPEEK/金属连接结构的结合强度和界面性能。然而,只对金属表面进行砂纸打磨处理,无法实现PEEK 和金属的有效连接。大量研究结果已经表明,可以尝试通过两种途径更有效和精确地控制金属表面的表面能,包括：利用激光技术在金属表面上制备几何纹路改变粗糙度；或在粗糙表面上通过化学改性控制表面能。Xie 等采用NaOH,HCl和NH等溶液对铝合金表面进行逐步浸泡腐蚀处理,在铝合金表面形成了无数纳米孔,在PEEK 和金属之间的界面形成无数的纳米铆钉,获得较高强度的PEEK/铝合金接头。Henriques等的研究结果表明,采用脉冲激光在钛合金表面制备微孔阵列,可以得到较高强度的PEEK/钛合金接头,相对常规的氧化铝喷砂处理,接头强度提高了300%以上。

金属和CFRTP的粘附性能对基体树脂的极性和金属表面的粗糙度和润湿性很敏感。由于PEEK 基体的非极性,有必要对铝合金表面的结构和润湿性进行修饰,以提高CFRPEEK 和铝合金接头强度。采用激光加工的方法对6061-T6铝合金进行表面处理,在6061-T6表面加工微孔阵列和纳米颗粒组成的双级结构,改变铝合金表面的润湿性。基于此,采用摩擦搭接焊的方法连接CFRPEEK 和激光表面改性后的6061-T6材料。研究目的是探讨制备高强度的非极性热塑性基体的CFRPEEK 和铝合金的摩擦搭接焊接头的可行性。

1 试验材料及方法

试验采用30%短碳纤维含量的CFRPEEK板和6061-T6铝合金板。CFRPEEK 板的尺寸为150 mm×100 mm×2.5 mm。6061-T6铝合金板的尺寸为150 mm×100 mm×2 mm。CFRPEEK和6061-T6 的主要力学性能和热性能如表1 所示。PEEK 基体的分子结构如图1所示。

图1 PEEK 基体的分子结构[21]Fig.1 Molecular structure of PEEK matrix[21]

表1 CFRPEEK 和6061-T6的力学性能和热性能[19-20]Table 1 Mechanical and thermal properties of CFRPEEK and 6061-T6[19-20]

将6061-T6板表面用400号至2400号砂纸抛光。其中一个抛光样品标记为T1。采用Nd：YAG激光器在大气环境中对其他抛光的6061-T6样品进行表面处理,在6061-T6板表面加工间距分别为200μm 和250μm(试样标记为T2和T3)的周期性微孔阵列,激光加工区宽度为10 mm,如图2中步骤(i)所示。使用的激光器功率为10 W,波长为1 064 nm,脉冲持续时间100 ns,频率30 k Hz,最大脉冲能量0.5 mJ。激光加工后,将样品先后在酒精和去离子水中超声清洗15 min。

图2 激光辅助CFRPEEK/6061-T6连接工艺示意图Schematic illustration of laser assisted CFRPEEK/6061-T6 joining

采用搅拌摩擦焊设备进行CFRPEEK 和6061-T6的摩擦搭接焊试验,如图2 中步骤(ii)所示。进行摩擦搭接焊试验的6061-T6板包括抛光表面和激光加工表面。6061-T6板放置于CFRPEEK板的顶部,搭接宽度为25 mm。采用直径为13 mm的H13钢无针搅拌头。搅拌头下压深度为恒定的0.75 mm,搅拌头转速为2 000 r/min,焊接速度为200 mm/min。焊接过程中,将K 型热电偶插入6061-T6板与CFRPEEK 板之间的界面,在连接区域的中心测量焊接过程的热循环曲线。

采用万能试验机(AGS-10KNI,岛津,负载能力10 k N)在10 mm/s的拉伸速度下测试6061-T6/CFRPEEK 接头拉伸剪切强度。拉伸剪切试样的取样位置和尺寸如图3(a)所示。为了获得搭接接头的剪切强度,采用如图3(b)所示的夹具进行拉伸剪切试验。每个样品取5个试样进行试验。拉伸剪切试验后,采用扫描电子显微镜(S-3700 N,日立)对断口进行观察和分析。采用扫描电镜(Merlin,CarlZeiss)对6061-T6/CFRPEEK 接 头的横截面和激光加工的6061-T6表面进行了观察和分析。采用三维轮廓仪(UP series,Rtec)对激光加工的6061-T6表面进行三维表面形貌分析。采用接触角测量仪(OCA40 Micro,Dataphysics)测量6061-T 6表面和CFRPEEK表面的水接触角和油(二碘甲烷)接触角。每个样品表面至少测量五个不同的位置,计算接触角的平均值。

图3 拉伸剪切试验示意Fig.3 Illustration of tensile shear test

2 试验结果与讨论

2.1 CFRPEEK/6061-T6接头性能

对激光加工的6061-T6 板和CFRPEEK 板进行摩擦焊搭接焊连接,6061-T6/CFRPEEK 接头连接良好；抛光的6061-T6板和CFRPEEK 板在焊接完成后会立即分离。拉伸剪切试验后,试样T2和T3如图4(a)和4(b)所示,在6061-T6和CFRPEEK的连接界面发生断裂。将拉伸剪切力除以150 mm的连接面积,计算得到试样的拉伸剪切强度。图4(c)为不同激光加工的6061-T6表面和CFRPEEK接头的拉伸剪切强度。试样T3接头强度达到21.67 MPa,高于试样T2的接头强度。

图4 CFRPEEK/6061-T6拉伸剪切试验Fig.4 CFRPEEK/6061-T6 tensile shear test

2.2 激光加工6061-T6表面结构

金属和非极性热塑性树脂复合材料的连接强度和粘附力主要受金属的表面结构和表面润湿性的影响。图5为激光加工的6061-T6表面的扫描电镜照片和表面接触角(CA)。在微观尺度上,激光加工在6061-T6 表面形成了周期性的微孔阵列,微孔直径约200 μm,微孔深度约400～500μm。在纳米尺度上,微孔壁上出现了密集分布的纳米颗粒,同时显示出了纳米孔的特征,纳米颗粒直径为100～200 nm。纳米颗粒的形成来源于激光加工过程中熔化的铝合金飞溅,凝固后粘附于6061-T6 表面。从图5(b)可以看出,试样T3的微孔具有完整的边缘,表现为尖锐和高耸的孔壁。与试样T3相比,试样T2的微孔边缘和微孔形状不完整,如图5(a)所示,这是由于相邻激光能量重叠导致孔边缘被削平,孔壁高度降低。

图6(a)和6(b)为激光加工的6061-T6表面的三维形貌图。图6(c)为2个试样的微孔边缘高度(用A-A 线标记)的分布对比曲线,可以看出,试样T3边缘高度(约0.40～0.48 mm)较高,正如在扫描电镜中观察到的,它有尖锐和高耸的孔壁结构。相反,由于相邻激光在重叠区域能量叠加,试样T2 具有较低的边缘高度(约0.27～0.40 mm),表面起伏程度降低。图6(d)为微孔中心线(B-B)的高度分布对比曲线,可以看出,由于试样T3有完整的孔边缘,试样T3的微孔深度大于试样T2。

图6 激光加工的6061-T6表面三维形貌图Fig.6 3D topographic images of laser textured 6061-T6 surfaces

为了评价激光加工的不同双级结构对CFRPEEK 在A6061铝合金表面润湿性的影响,测量了T2、T3试样表面的水接触角和油接触角。从图5(b)可以看出,试样T3表面的水接触角达到159°,油接触角为8°,表明试样T3达到超疏水表面。在6061-T6的超疏水表面上,熔化的PEEK的润湿铺展性将得到改善,从而增加CFRPEEK与6061-T6之间的连接面积。激光加工的6061-T6表面的微孔和纳米颗粒构成的双级结构是改善表面润湿性的原因。CFRPEEK 表面的水和油接触角分别为58.4°和18.3°。

图5 激光加工的6061-T6表面扫描电镜图和接触角Fig.5 SEM images and contact angle of 6061-T6 surfaces produced by laser texturing

利用CFRPEEK 与6061-T6的表面接触角,可以通过Dupre方程,计算CFRPEEK 和不同表面的6061-T6的粘附功：

式中：和分别为两种材料的表面自由能；为它们之间的界面自由能。根据Fowkes方法,表面能具有色散和极性部分,从而导致2个连接材料之间的界面能的关系为

表2 试验液体的表面张力参数[22]Table 2 Surface tension parameters for various test liquids[22]

图7 为具有不同表面的6061-T6 和CFRPEEK的粘附功。表面抛光的60 61-T 6和CFRPEEK 的远低于激光加工的6061-T6和CFRPEEK 的。因此,无法通过摩擦搭接焊将CFRPEEK 和抛光的6061-T6直接连接。由于试样T3表面超疏水性的特性,试样T3 的值最高。

图7 不同表面的6061-T6和CFRPEEK 的粘附功Fig.7 W ad between CFRPEEK and 6061-T6 plates with different surfaces

2.3 CFRPEEK/6061-T6接头的界面组织和断口

图8 为CFRPEEK/6061-T6 接头的界面组织。从图8(b)可以发现,在试样T3中,基体材料PEEK 完全填充于6061-T6 表面的微孔中,在CFRPEEK/6061-T6连接界面处出现没有孔洞。碳纤维主要分布在微孔附近,在微孔中形成无碳纤维区域。这种现象表明基体材料PEEK 锚固于6061-T6的微孔中,实现CFRPEEK 和6061-T6的微观机械咬合。其形成微铆钉结构是CFRPEEK和6061-T6的主要连接机制。从图8(a)可以发现,在CFRPEEK/6061-T6连接界面中,CFRPEEK 侧的区域存在孔洞,孔洞主要位于微孔的顶部位置,且该处为无碳纤维区域。由于CFRPEEK/6061-T6连接界面存在孔洞,导致界面连接面积减小,并引起应力集中,从而降低连接强度。根据热电偶测得的焊接过程的温度循环,焊接过程中接头的最高温度约为410℃,介于PEEK的熔化温度和热分解温度之间。因此,连接界面处的孔洞不是由基体材料PEEK的热分解导致的。PEEK 熔体在试样T2表面上较低的润湿铺展性是产生孔洞的主要原因。当6061-T6表面达到超疏水状态时,PEEK 熔体将易于在6061-T6表面上润湿和铺展,并填充微孔和纳米空隙,最终形成无缺陷的界面。值得一提的是,在碳纤维周围观察到一些微小的空隙,可以推断出它们是在碳纤维复合材料成型过程中由于空气注入而形成的。从图9可以发现,试样T2的断口有一些残留的PEEK锚固在微孔中,并且碳纤维以不同方向分布在微孔外部,这同样表明了微观尺度的机械咬合是CFRPEEK 和6061-T6铝合金的主要连接机制。

图8 CFRPEEK/6061-T6接头界面扫描电镜图Fig.8 SEM images of CFRPEEK/6061-T6 joint interfaces

图9 试样T2拉伸剪切试验断口扫描电镜图Fig.9 SEM images of fracture surface for sample T2 after tensile shear test

热塑性树脂基复合材料和金属的连接机制包括氢键、机械咬合和化学键。在本文中,摩擦搭接焊无法实现CFRPEEK 和抛光的6061-T6的有效连接,因此,树脂基体的极性官能团与金属表面氧化物之间形成氢键不是CFRPEEK 和6061-T6的摩擦搭接焊的主要连接机制。激光加工在6061-T6表面形成的周期性微孔阵列和纳米颗粒引起的PEEK 基体和铝合金表面的微观机械咬合是CFRPEEK 与激光加工6061-T6 的摩擦搭接焊接头形成的主要连接机制。图10是对本文试验结果和连接机理分析的示意图,该图解释了连接界面形成与6061-T6表面结构之间的关系,6061-T6的表面结构影响了连接界面的机械咬合程度和接头质量。激光加工在6061-T6表面上产生了微孔阵列和纳米颗粒组成的微米-纳米双级结构,形成了超疏水和疏水的表面。在6061-T6超疏水表面上,PEEK 熔体表现出优异的润湿性和铺展性。因此,在摩擦搭接焊过程中,超疏水表面被熔化的PEEK润湿、铺展并立即填充微孔。PEEK 凝固后,在CFRPEEK/6061-T6界面处形成天然的微锚固结构。然而,PEEK 熔体对6061-T6疏水表面的润湿性较低,PEEK 和6061-T6疏水表面的粘附性较弱,熔化的PEEK未能在6061-T6疏水表面完全润湿和铺展,无法完全渗透到6061-T6表面的微孔和纳米空隙中,PEEK 凝固后,在CFRPEEK/6061-T6连接界面附近留下未填充的区域。最后,在CFRPEEK 和具有超疏水表面的6061-T6形成了没有孔洞缺陷的连接界面,接头强度较高。但是,在CFRPEEK和具有疏水表面的6061-T6的连接界面上存在孔洞,接头强度较低。

图10 激光加工的6061-T6接头表面和连接界面关系示意图Fig.10 Illustration of relation between joining surface and interfaces 6061-T6 surface

3 结 论

1)与未经激光预处理的表面相比,通过激光表面纹理化加工,CFRPEEK/6061-T6摩擦搭接焊接头的连接强度得到了显着提高。6061-T6表面的周期性微孔阵列和纳米颗粒引起的基体材料PEEK 和铝合金的微观机械咬合是CFRPEEK/6061-T6 接头的主要连接机理和高强度的主要原因。

2)激光加工在6061-T6表面形成了微孔阵列和纳米颗粒构成的微米-纳米双级结构,改变了6061-T6表面的润湿性,形成了包括超疏水表面和疏水表面。与具有疏水表面的6061-T6相比,具有超疏水表面的6061-T6 与CFRPEEK 的粘附性较高。

3)在具有超疏水表面的6061-T6 和CFRPEEK 的接头连接界面中没有存在孔洞。在焊接过程中,6061-T6表面的微孔和纳米孔隙被熔化的PEEK 填充,形成了无碳纤维连接区域。