铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.018

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (1): 124-133.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.018

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铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展

韩志勇(), 马斯景, 路鹏程

中国民航大学航空工程学院，天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300

收稿日期:2023-07-23 出版日期:2024-01-26 发布日期:2024-01-22
作者简介:韩志勇（1970—），男，教授，研究方向为材料表面与界面性能研究，zyhan@cauc.edu.cn

Research progress in surface treatment methods for connecting aluminum alloys and composite materials

HAN Zhiyong(), MA Sijing, LU Pengcheng

Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，School of Aerospace Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2023-07-23 Online:2024-01-26 Published:2024-01-22

摘要/Abstract

摘要：

论述了粘接用铝合金和复合材料表面处理技术，重点阐述了不同表面处理手段的目的、机理、分类以及影响表面处理品质的工艺参数；此外，对近些年来国内外铝合金混合处理技术和具有前景的复合材料能量处理技术的原理及优势进行了分析，并提供了较为有效的材料表面处理新思路。

关键词: 铝合金, 复合材料, 表面处理, 连接技术, 粘接

Abstract:

The extensive application of aluminum alloys and composite materials in aviation structures demonstrates their advantages of lightweight and high⁃strength properties in aircraft. At present， the connection technology of aluminum alloys and composite materials is complex and faces various challenges. The surface treatment technology of the connecting parts is an important means to solve such issues. This article introduced the surface treatment technologies for bonding aluminum alloys and composite materials and analyzed the purpose， mechanism， classification， and process parameters that affect the treatment quality obtained from different surface treatment methods. In addition， the principles and advantages of aluminum alloy hybrid processing technology and promising composite material energy treatment technology were analyzed. This paper provides more effective new ideas for material surface treatment.

Key words: aluminum, composite, surface treatment, connection technology, adhesion

中图分类号:

TQ330.6

韩志勇, 马斯景, 路鹏程. 铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 124-133.

HAN Zhiyong, MA Sijing, LU Pengcheng. Research progress in surface treatment methods for connecting aluminum alloys and composite materials[J]. China Plastics, 2024, 38(1): 124-133.

图/表 17

图1 航空工业中的黏合剂连接示意图

Fig.1 Schematic diagram of adhesive connections in the aviation industry

图2 表面处理的金属与复合材料连接示意

Fig.2 Schematic diagram of the connection between metal and composite material for surface treatment

图3 机械处理铝合金表面示意图

Fig.3 Mechanical treatment of aluminum alloy surface

图4 激光法创造钛合金图案的SEM照片

Fig.4 The laser method creating an SEM of the titanium alloy pattern

图5 硅烷处理铝合金表面机理示意图

Fig.5 Schematic diagram of the surface mechanism of silane treatment of aluminum alloy

图6 不同固化条件下Al⁃PPS复合材料的界面结合强度

Fig.6 Interfacial bonding strength of Al⁃PPS composites under different curing conditions

图7 RPC处理示意图与截面的SEM照片

Fig.7 RPC processing schematic diagram and cross⁃sectional SEM diagram

图8 金属表面处理示意图

Fig.8 Schematic diagram of metal surface treatment

图9 单搭接剪切与浮辊剥离强度对比

Fig.9 Comparison of single lap shear and floating roller peel strength

图10 铝合金表面的T⁃剥离脱胶

Fig.10 T⁃peel degumming on the surface of aluminum alloy

图11 CAA、BSAA和PAA处理粘接接头的裂纹扩展

Fig.11 CAA， BSAA and PAA treat crack propagation of bonded joints

图12 复合材料的表面处理示意图

Fig.12 Schematic diagram of the surface treatment of a composite material

图13 喷砂处理PEEK复合材料的SEM照片

Fig.13 SEM of PEEK composite material with pretreatment of sand blasting

喷砂型号	表面粗糙度（R_a）/nm	最大剥离力/N	剥离强度/kN·m^-1
46	1.6	133.6	5.34
60	2.0	201.8	8.07
80	2.8	185.5	7.42

表1 喷砂处理复合材料表面的剥离强度

Tab.1 Peeling strength of sandblasted composite material surface

图14 无处理、清洗处理和溶胶处理的复合材料对比

Fig.14 Composite treatment under different conditions： untreated， cleaned and sol⁃gel treated

图15 等离子体处理的复合材料的SEM照片

Fig.15 SEM of plasma⁃treated composites

类型	工艺方法	优点	缺点
物理法	喷砂法	操作简单，成本低廉。	粉尘污染、细小的部位难以处理、表面均匀性差、易损坏基材表面。
	打磨法	操作简单，成本低廉。	粉尘污染、细小的部位难以处理、表面均匀性差、易损坏基材表面。
	剥离层法	可以重复利用，易产生均匀的粘接面。	制备过程复杂，使用条件受限。
化学法	阳极氧化法	操作简单，成本低廉，适用于形状复杂的构件，表面均匀性好。	化学主副反应复杂，对环境有害，基材表面洁净度要求高，处理后应立即进行粘接。
化学法	溶胶凝胶法	操作简单，成本低廉，适用于形状复杂的构件，表面均匀性好。	化学主副反应复杂，对环境有害，基材表面洁净度要求高，处理后应立即进行粘接。
能量法	激光法	表面均匀性好，低损伤，处理时间短，处理效果可持续，环境友好。	设备昂贵，有难以控制的非线性过程。
	等离子体处理法
	紫外线法
混合法	物理、化学和能量法的组合	充分发挥它们各自的优势，后续处理弥补了前面处理的缺陷，以满足特定的应用要求。	处理工艺复杂，需要较高的技术水平和生产条件。设备和制造成本均较高。复杂的表面性能，需要更复杂的理论模型和实验方法。

表2 铝合金与复合材料表面处理不同工艺的优缺点

Tab.2 The advantages and disadvantages of different surface treatment processes for aluminum alloys and composite materials

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铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展

Research progress in surface treatment methods for connecting aluminum alloys and composite materials

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