鈦合金碳纖維復(fù)合材料表面改性

鈦合金碳纖維復(fù)合材料表面改性

鈦合金/碳纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)鈦合金是一種重要的航空金屬結(jié)構(gòu)材料。在強(qiáng)度高、耐溫性好、耐腐蝕性好的環(huán)境條件下，可保持其強(qiáng)度和其他優(yōu)異的性能，尤其是與碳結(jié)合材料具有良好的電磁性和類似于熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)。這種膠連接結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1.4]。鈦合金/碳纖維復(fù)合材料這種膠接結(jié)構(gòu)的耐久性能對于航空航天器材的安全穩(wěn)定非常重要,而膠接前鈦合金的表面處理對膠接耐久性能起著至關(guān)重要的作用[5~8]。鈦合金的表面處理方法有很多種,例如機(jī)械打磨、噴砂、化學(xué)法及電化學(xué)法等。本文主要研究的是一種鈦合金堿性陽極化(NaTESi)表面處理方法,其具有低成本、污染相對較小、工藝參數(shù)易控等優(yōu)點(diǎn),可以明顯提高鈦合金/碳纖維復(fù)合材料膠接試件的濕熱耐久性能。1實(shí)驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑及試劑氫氧化鈉、磷酸鈉,分析純,北京益利精細(xì)化學(xué)試劑廠;氫氟酸、碳酸鈉,分析純,天津市雙船化學(xué)試劑廠;氟化鉀、硫酸鈉,分析純,天津市津北精細(xì)化工有限公司;酒石酸鈉、乙二胺四乙酸、硅酸鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;堿洗液:3%~5%NaOH,3%~6%Na3PO4和2%~3%Na2CO3的混合液;酸洗液:20%~30%HNO3和1%~2%HF混合液;NaTESi陽極化槽液:20%~40%NaOH,1%~2%EDTA,4%~8%Na2C4H4O6和0.3%~0.8%Na2SiO3的混合液,以上處理液均為自制;鈦合金(Ti-6Al-4V),寶雞德昌鈦鎳有限公司;單向環(huán)氧基碳纖維復(fù)合材料(5228A/CCF300),北京航空材料研究院;J-271高溫結(jié)構(gòu)膠黏劑,黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院,INSTRON4467萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。1.2將堿液中t和nt兩藥物結(jié)合起來,在酸液中提取工液和無砂酸液鈦合金的表面處理:將鈦合金用丙酮或乙酯擦拭除油后,用80目金剛砂對鈦合金表面進(jìn)行噴砂處理,然后用去離子水洗凈,放入到60~80℃的堿液中,浸漬2min后取出用去離子水洗凈后再放入酸液中處理2min,用去離子水洗凈;最后放入NaTESi陽極化槽液中陽極化,陽極化條件為:槽液溫度10~30℃,電壓5~15V,時(shí)間10~30min。取出后用去離子水洗凈。碳纖維復(fù)合材料的表面處理:用200目砂紙打磨碳纖維復(fù)合材料的膠接面,然后用丙酮擦洗干凈再放入80℃的烘箱中烘干20min。1.3雙搭接膠接試件的制備膠接時(shí)將膠膜鋪貼在兩塊尺寸為100mm×25mm×1.25mm的鈦合金試片上,此兩試片在長度方向上一字平放,中間空有3mm的距離,然后在其接口處與上下兩塊5層厚單向碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行膠接組成雙搭接膠接試件,碳纖維復(fù)合材料尺寸為28.4mm×25mm,每側(cè)鈦合金試件膠接搭接長度為12.7mm。固化條件:固化壓力為0.3±0.02MPa;固化時(shí)間為90±5min;固化溫度為180±5℃。1.4老化及測試條件濕熱老化條件:試件在55℃,RH為95%~100%條件下老化1000h后進(jìn)行測試。剪切強(qiáng)度:按標(biāo)準(zhǔn)GB7124-86進(jìn)行,加載速度1.5mm/min。2結(jié)果與討論2.1鈦合金表面粗糙度堿液除油是為了除去軋制和加工時(shí)殘留在鈦合金表面上的各種油劑;而酸洗是為了除去鈦合金材料放置在空氣中而生成一層黑色的、疏松的氧化膜,同時(shí)酸洗還能增加鈦合金表面的粗糙度,有利于提高粘接強(qiáng)度。以下是鈦合金經(jīng)不同方法處理后與碳纖維復(fù)合材料膠接的膠接強(qiáng)度。從表1數(shù)據(jù)可看出,在NaTESi陽極化前不進(jìn)行酸洗和堿洗,其處理后的鈦合金所制的鈦合金/復(fù)合材料膠接試件的膠接強(qiáng)度最差,而且其破壞形式很不理想,大部分為鈦合金表面脫粘,只經(jīng)過堿洗或酸洗中一項(xiàng)的鈦合金所制的試件的強(qiáng)度其次,但破壞形式也不是很理想,而只有同時(shí)經(jīng)過堿洗和酸洗的鈦合金,其膠接試件的剪切強(qiáng)度最好,而且其破壞形式也比較好。2.2陽極化過程中鈦合金的氧化規(guī)律鈦是一種化學(xué)性質(zhì)比較活波的金屬,與氧有很大的親和力,容易在空氣或有氧的介質(zhì)中氧化腐蝕,其表面會(huì)生成一種鈍化的氧化層,其可有效地降低或阻止鈦及鈦合金進(jìn)一步氧化腐蝕。鈦合金在陽極化時(shí)其表面就會(huì)生成一層氧化膜,但在不同的陽極化工藝條件(如電壓、溫度和時(shí)間的變化)下會(huì)產(chǎn)生不同狀態(tài)的氧化膜,其比較直觀的現(xiàn)象就是顏色差異比較大。具有不同狀態(tài)氧化膜的鈦合金其抗腐蝕能力不同,所以其膠接試件的濕熱耐久性能也不同,以下是不同工藝條件對膠接試件的濕熱耐久性能的影響。2.2.1電壓對鈦合金膠接件耐久性的影響下圖1為不同陽極化電壓下處理的鈦合金進(jìn)行膠接的膠接件的濕熱老化前后的剪切強(qiáng)度對比,其陽極化槽液溫度為20℃,陽極化時(shí)間為10min。從圖中可看出陽極化電壓在8~12V時(shí),其處理的鈦合金所粘接的膠接試件剪切強(qiáng)度較高,而且濕熱老化后其剪切強(qiáng)度下降也較小。當(dāng)電壓小于8V時(shí),電流密度小,形成的氧化膜偏薄,不夠穩(wěn)定,所以試件的耐久性能較差。當(dāng)電壓增大時(shí),電流密度增大,更易擊穿先前產(chǎn)生的氧化膜,從而形成孔徑更深附著力更強(qiáng)的氧化膜層,其能使鈦合金膠接件在濕熱環(huán)境下保持更好的耐腐蝕性能。電壓過高,產(chǎn)生氧化膜膜層較厚,其與基體的附著力反而降低,從而導(dǎo)致試件濕熱老化性能下降。所以通過實(shí)驗(yàn)分析,選擇陽極化電壓為8~12V。2.2.2溫度對膠接試件耐久性能的影響圖2所示為不同陽極化溫度下處理的鈦合金進(jìn)行膠接的膠接件的濕熱老化前后的剪切強(qiáng)度對比,其陽極化電壓為10V,陽極化時(shí)間為10min。從圖中可看出,當(dāng)陽極化溫度低于15℃或高于25℃時(shí),其試件的濕熱耐久性能均不佳,這可能是因?yàn)楫?dāng)電解液溫度過低時(shí)(低于15℃),膜的生成速度小于溶解速度,生成的膜較薄,不利于膠接試件的耐久性能。當(dāng)溫度升高時(shí),溶液分子布朗運(yùn)動(dòng)加劇,分子間碰撞增加,傳遞電子速度加快,物質(zhì)間交換速度加快,從而加快氧化膜生成速度,而只有當(dāng)成膜速度大于溶解速度時(shí)才能獲得一定厚度和性能的膜層,其試件的抗腐蝕能力和耐久性能也較好。但當(dāng)溶液溫度過高,成膜速度太快,在這一過程中膜層內(nèi)部積聚的熱量不易散發(fā),會(huì)使膜層疏松多孔,質(zhì)地不均一,其膠接試件的耐久性能也較差。所以通過實(shí)驗(yàn)分析,選擇陽極化溫度為15~25℃。2.2.3陽極化的時(shí)間圖3所示為不同陽極化時(shí)間處理的鈦合金進(jìn)行膠接的膠接件的濕熱老化前后的剪切強(qiáng)度對比,其陽極化的電壓為10V,溫度為20℃。從圖中可看出,陽極化化時(shí)間在15~25min之間,其膠接試件的耐濕熱性能較好。陽極化的時(shí)間過短,形成的氧化膜偏薄,時(shí)間過長,又會(huì)使氧化膜偏厚,與基體附著力降低。實(shí)驗(yàn)證明,鈦合金氧化膜偏薄或過厚都不利于鈦合金膠接件的耐久性能,所以通過實(shí)驗(yàn)分析,選擇陽極化時(shí)間為15~25min。2.3種方法膠接件的性能經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行鈦合金陽極化表面處理前,對其表面進(jìn)行噴砂化處理有利于提高膠接試件的耐久性能。以下是鈦合金經(jīng)噴砂、NaTESi陽極化及二者結(jié)合的表面處理后進(jìn)行膠接的膠接件的性能:從上圖4(a)中可看出三種方法處理鈦合金表面后與碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行的膠接試件的剪切強(qiáng)度相差不大,但從耐久性能上看,噴砂+NaTESi法處理的鈦合金所膠接的膠接件的耐久性能最好,其次是NaTESi法,最后是噴砂法,見4(b)圖。噴砂法結(jié)合NaTESi法處理的鈦合金膠接件的耐久性能比單獨(dú)NaTESi法處理的有所提高,這可能是因?yàn)闉閲娚翱梢蕴岣哜伜辖鸨砻娴暮暧^粗糙度,提高了膠接界面的機(jī)械互鎖程度,從而對試件的濕熱耐久性能也起到了一定的輔助作用。3復(fù)合膠接強(qiáng)度(1)鈦合金在進(jìn)行NaTESi陽極化前應(yīng)進(jìn)行堿洗和酸洗,可去除鈦合金表面的油污并產(chǎn)生一定的粗糙度,有利于提高鈦