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碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

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【作者】 佟艳群张昂符永宏姚红兵周建忠陈小明任旭东

【Author】 TONG Yan-qun;ZHANG Ang;FU Yong-hong;YAO Hong-bing;ZHOU Jian-zhong;CHEN Xiao-ming;REN Xu-dong;School of Mechanical Engineering, Jiangsu University;Key Laboratory of Surface Engineering Technology for Water Resources and Hydropower Equipment in Zhejiang Province;

【通讯作者】 任旭东;

【机构】 江苏大学机械工程学院浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室

【摘要】 近年来碳纤维复合材料(CFRP)由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明:在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。

【基金】 国家自然科学基金项目(51405200,51479082和51775253);中国博士后科学基金面上项目(2015M580395);国家水泵研究中心开放课题(NRCP201606);浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室开放基金项目(2017SLKL005);江苏大学高级人才项目(14JDG172);江苏省产业前瞻关键技术重点项目(BE2017001-2)资助
  • 【分类号】TN249;TB33
  • 【下载频次】36
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