碳纤维增强塑料（CFRPs）作为一种具有高度符合要求的机械强度和轻质性能的复合材料。最初是开发用于航空领域，现在已广泛应用于汽车、帆船、竞赛用自行车和高尔夫球杆的生产制造中。

人们研究了在粘合之前获取理想表面质量的各种技术。这些措施包括采用剥离层，以及各种机械制备技术，例如研磨或喷砂处理。遗憾的是，每种工艺都有它们自身的缺陷，要么是速度问题，要么是复杂度问题，要么需要后续的清洗操作。

以准分子激光为基础的表面清洁和烧蚀技术现在可以提供一种实用的替代方案，采用此技术产生的表面可以满足粘接所需的特性要求。

碳纤维强化塑料背景

碳纤维增强塑料由所谓的增强材料和基质组成。增强材料是碳纤维，通常象织物一样交织起来，提供承重强度和刚性。其它纤维，如凯夫拉尔，铝或者玻璃等也会添加进来。基质通常是环氧基树脂或某些其它聚合树脂，它将增强材料包围起来，并将其绑定在一起。

使用带状铺叠、模塑、树脂传递成型或编织等各种技术可以制造出各种形状和尺寸的碳纤维增强塑料组件。构造更大型的混合结构，如飞机零部件，就需要将各个装配式碳纤维增强塑料组件连接起来。具体来说，采用传统的紧固件（比如螺钉或铆钉）需要钻孔，这就会破坏载荷纤维的结构。此外，这些紧固件周围的内部应力可能会很高，因为它们将承载功能集中在一个小区域内。这可能需要在应力点周围使用加强件，这必然会增加组件的总重量。最后一点，金属紧固件本身可能会显著增加组件的重量。后两个因素会降低碳纤维强化塑料高强度和低质量的特性，而这是碳纤维强化塑料最为有用的特性。

粘合剂连接

选择粘合剂粘接则可以避免上述问题。更具体地说，它不需要在碳纤维塑料上打孔，可以将机械负荷分布在整个接合面上，而且也不会增加组装件成品的重量。

然而，为了实现高强度的粘接，必须将之前残留在表面的脱模剂和其他表面污染物去除。这一点至关重要，因为众所周知，粘接强度与粘接之前的表面清洁程度高度相关。但是，清洁过程不能对基底的CFRP产生任何损坏，特别是不能损坏载荷纤维。

表面处理技术

目前，在进行粘合之前，对碳纤维材料零件进行清洗和准备工作的技术包括机械研磨和喷砂工艺。不幸的是，这些方法都存在缺陷。例如，大多数机械研磨工艺生产效率低下，并且通常需要进行湿态操作， 这就意味着随后还需要进行冲洗和干燥的过程，进一步增加了生产成本，延长了加工时间。同样的，喷砂处理也会使纤维有损坏的风险，留下残余物和灰尘，从而不得不增加后续的清洗过程。

航空航天领域流行的CFRP表面粘接准备工艺是使用剥离层。这些剥离层是织物制成的片材，在基材树脂固化之前将片材插入CFRP表面，然后在粘接之前去除。这种技术能够得到可重现的粗糙度和清洁表面，从而保证良好的粘接。剥离层的主要缺点是它们必须经过层压制成零件，这就增加了制造过程的复杂性。另外，这种方法并不适用于修复粘接件。剥离层的效率和可重复性也存在问题。

激光表面处理的优势

激光表面预处理工作包括在碳纤维塑料上烧蚀一薄层材料。在其它应用中，这种清洗方法已被证明能够避免几乎所有其它技术的缺陷，并能有效率去除几乎所有的残留污染物。和机械技术不同，激光清洗几乎不需要进行表面处理，可以在干燥状态下进行，清洗后的材料表面不会留下残余物，容易操作， 产品质量高度一致，因为这是一种无磨损非接触工艺。此外，可以应用于碳纤维塑料修复工作。

但是，为了让激光清洗工艺产生比机械方法和剥离层方法更好的效果，激光清洗不能够对整块树脂或负载纤维造成损伤。这样的话，使用远红外CO2激光器、近红外固体激光器和光纤激光器等波长较长的激光器时就会有问题，因为所有这些激光器通过加热方式来去除材料。对整块材料加热会造成纤维损伤以及基体的破裂。相反，紫外激光器主要通过光切除而非热机制来去除材料， 从而不会产生热影响区域，并能进行高度精确的材料去除。（见图1）

就现有的紫外激光技术来说，脉冲准分子激光器能提供最大的脉冲能量（高达2J）。此外，准分子激光器产生大的矩形光束易于塑形和均质化，从而匹配碳纤维塑料表面预处理应用的几何结构。总的来说，这些特性可以实现材料的快速去除和高效的生产能力，甚至在应对更大型的碳纤维塑料零件时也是如此。现有的准分子激光器由于能超过一年以上时间在三班制高占空比操作中都不需要进行维护，在其它工业应用中已有良好的表现记录。

准分子激光器清洁

因为准分子激光光束可以很容易地被塑造成不同的尺寸，因此可以根据CFRP的确切形状、特定类型激光器的能量密度，以及所需的输出功率实现精确的应用。然而，所有的CFRP处理方法通常是两种基本方法的变体，即线扫描或步进- 重复方式（见图2）。

在线扫描方式中，激光光束呈线条状（即一个长宽比非常高的矩形），连续地横扫待清理的表面。材料特定区域上辐照的脉冲数目是由线宽、光线移动速度和激光的重复频率共同来确定的。如果线路长度比待清洁的区域的宽度短，则需要在该区域内设置几个相邻的通道。

在步进-重复方法中，激光光束呈方形或近正方形的矩形。激光光斑定位在碳纤维塑料表面的一个固定点上进行辐照，并形成一个曝光区域（由一道或者更多激光脉冲组成）。随后，激光光束依据其宽度被转换成与光束宽度相对应的距离，该过程不断重复，待清洁的整个区域就被以这种方式辐照。

需要清洁的整个区域按照这种方式依次完成。对于两种方法来说，考虑到准分子光束传递光学器件的物理尺寸和重量都比较大，移动碳纤维塑料比移动激光光束更具操作性，更划算。

准分子激光测试结果

德国Braunschweig技术大学粘接和复合材料技术系对使用Coherent公司的 LPXpro 305准分子激光器进行表面处理的碳纤维塑料的粘接强度进行了测试，并将该结果与使用传统表面处理方法后的碳纤维塑料的粘接强度进行对比。在这一研究中，准分子激光器获得，输出波长设定为308nm，脉冲持续时间为28ns。原始激光输出被转换成30mm×1.8mm的区域大小，其能量密度在整个长度上的变化不到1%，辐照度呈高斯分布。使用了线扫描方法，激光能量密度在400-800mJ/cm2。通过改变激光重复频率和扫描线速度，碳纤维塑料上给定点的脉冲辐照变化在1-48之间。被测试的碳纤维塑料是是采用闭模压塑工艺生产的典型的航空航天预浸料，模具上被涂刷了一层有机硅基的脱模剂。扫描电镜图（图3）显示了准分子激光技术能够严格控制粘接和基质材料去除， 且不会对曝露的纤维造成损害。

在激光清洗后，粘接好样品，并测量粘接的强度。从测试的结果可以清楚地看出，相对于未处理的参考样品，研磨和激光清洁两种方法都能够大幅度提高粘结强度。在这个测试中，用600mJ/ cm2脉冲能量的两个脉冲辐照CFRP的指定区域，能够达到最高的粘接强度。即使出现了问题，也发生在基质内部而非粘接边界，这意味着粘接强度要高于整个基质材料。

以较低的脉冲能量运行只能去除极少量的材料，所以这些辐照不能完全消除所有的表面污染物，这就降低了最终的粘接强度。

在最佳辐照强度之上，激光已经完全消除了重叠的纯环氧树脂层，或者，在最高的辐照强度下，激光会开始损坏纤维的浸润剂（涂料指碳纤维表面的化学涂层，能够增强与基体树脂的粘度）。造成的结果就是总剪切强度降低，从而导致界面失效。

虽然其它粘接和基体材料配方的最佳脉冲数量和能量密度可能有所不同，上述测试清楚地表明，使用正确参数的准分子激光处理技术能够获得的最大抗剪切强度要达到或超过使用研磨技术的结果。在本次实验设定的参数下，LPXpro 305准分子激光清洁可以达到0.16m2/min（9.6m2/h），略慢于商用速度。但是，现在也有功率超过30W（平均功率）的准分子工业激光器。例如， Coherent LSX系列激光器的平均功率为540W。使用和测试中同样脉冲能量的搭接方式，但是重复率为600Hz，清洁效率就能达到0.97m2/min（58.3m2/h，从而适用于许多典型的CFRP部件的生产过程。

总之，如果在进行粘接之前能够适当处理好粘接表面，那么碳纤维塑料粘接比其它连接技术具有更多优势。准分子激光器表面处理技术在最终粘接强度上能优于其它方法，同时也更经济适用。此外，这一技术具有很高的可重复性，非常适合于批量生产，是一种连续而稳定的工艺。