在材料科學(xué)領(lǐng)域，表面特性對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）與鋁合金粘接性能影響關(guān)鍵，二者粘接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車輕量化、航空航天等領(lǐng)域。精準(zhǔn)表征表面粗糙度與微觀形貌是探究粘接機(jī)理的核心，光學(xué)輪廓儀以納米級分辨率和三維重構(gòu)能力成為關(guān)鍵工具。光子灣科技的光學(xué)輪廓儀在材料表面力學(xué)性能關(guān)聯(lián)研究中優(yōu)勢顯著，本研究中為揭示表面特性與粘接性能的聯(lián)系提供可靠手段。

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研究背景

CFRP因輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性優(yōu)，與 6061鋁合金同為輕量化設(shè)計核心材料，二者粘接可靠性決定結(jié)構(gòu)安全。粘接接頭強(qiáng)度受表面物理化學(xué)特性影響大，合理表面處理可優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)狀態(tài)以提升界面結(jié)合力。機(jī)械連接存在應(yīng)力集中、增重等問題，粘接雖應(yīng)力分布均勻、輕量化，但界面強(qiáng)度不足限制應(yīng)用。本研究聚焦激光與砂紙打磨對 CFRP / 鋁合金表面特性的調(diào)控，結(jié)合拉剪試驗與有限元仿真，揭示表面特性與接頭力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

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實驗材料與方法

實驗技術(shù)路線圖

1.實驗材料

被粘物為6061鋁合金與T300 碳纖維編織的CFRP，尺寸均為100mm×25mm×2.0mm。膠粘劑選用雙組分環(huán)氧樹脂 Araldite 2015（彈性模量 1.85GPa，剪切模量 0.56GPa）。

2.試樣制備與表征

表面處理設(shè)對照組（未處理、160 目砂紙交叉打磨）與實驗組（光纖激光打標(biāo)機(jī)處理，功率 10-50W，線間距 0.05-0.15mm，線方向 0°-135° 交叉）。通過光學(xué)輪廓儀測表面粗糙度，SEM 觀形貌，XPS 析化學(xué)成分，接觸角測量儀表征潤濕性。拉剪試驗依 ASTM D5961 標(biāo)準(zhǔn)，用電子萬能試驗機(jī)（速率 2mm/min），每組 4 次重復(fù)，剪切強(qiáng)度按 τ=F/S（F 為極限載荷，S 為搭接面積）計算。

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表面處理對 CFRP / 鋁合金表面特性影響

01鋁合金表面特性

光學(xué)輪廓儀表征激光能量密度對鋁合金表面形貌的影響

激光處理形成規(guī)則溝槽，功率增大使溝槽寬/深度增加，表面粗糙度與接觸角上升（0.05mm 線間距時表面粗糙度最大）；交叉網(wǎng)格處理易形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，O 元素含量達(dá) 81.12%，促氧化層形成。光學(xué)輪廓儀顯示，砂紙打磨表面粗糙度波動較大（0.8-1.2μm），而激光處理表面粗糙度可控性更強(qiáng)（1.0-2.4μm）。

02CFRP 表面特性

光學(xué)輪廓儀表征激光能量密度對CFRP表面形貌的影響

激光處理燒蝕表層環(huán)氧樹脂，暴露親水碳纖維束，表面粗糙度隨功率增大而上升（12.5W 時達(dá) 2.4μm），接觸角隨功率增大而下降（12.5W 時接近 0°）。XPS 顯示 O 元素含量提升，引入 C-O-C 基團(tuán)增強(qiáng)界面反應(yīng)。光學(xué)輪廓儀觀察發(fā)現(xiàn)，0.075mm 線間距時 CFRP 表面粗糙度均勻性最佳。

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表面特性對粘接接頭強(qiáng)度影響與失效分析

表面處理方式對強(qiáng)度影響

01鋁合金 / 鋁合金接頭

在表面粗糙度1.6-2.0μm、接觸角 70-80° 范圍內(nèi)，拉剪強(qiáng)度隨表面粗糙度與接觸角增大而提升（最大值 20.53MPa），失效模式由界面失效轉(zhuǎn)為內(nèi)聚失效；當(dāng)表面粗糙度>2.4μm、接觸角 > 85°，膠粘劑浸潤性下降，強(qiáng)度降至 15MPa 以下，重回界面失效。

02CFRP / 鋁合金接頭

表面粗糙度1.5-2.4μm、接觸角 30-60° 時強(qiáng)度最高（21.38MPa），內(nèi)聚失效占比超 80%；表面粗糙度>2.4μm 時碳纖維束斷裂，基體失效導(dǎo)致強(qiáng)度驟降；接觸角 > 80° 時環(huán)氧樹脂殘留過多，界面失效為主。

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有限元仿真改進(jìn)研究

基于ABAQUS建立內(nèi)聚力模型（界面失效）與GTN 模型（膠層內(nèi)聚失效），改進(jìn)模型可區(qū)分失效模式。仿真顯示，界面強(qiáng)度參數(shù) σIC≥40MPa 時，接頭以膠層內(nèi)聚失效為主，與實驗一致。結(jié)合光學(xué)輪廓儀測量的表面粗糙度與接觸角，給出參數(shù)范圍：粗糙度1.5-2.4μm 對應(yīng) σIC≥40MPa，≤1.0μm 對應(yīng) σIC≤30MPa。

綜上所述，激光處理可通過調(diào)控表面粗糙度與化學(xué)狀態(tài)顯著提升CFRP / 鋁合金粘接強(qiáng)度，光學(xué)輪廓儀在表面微觀形貌量化表征中發(fā)揮關(guān)鍵作用。光子灣科技的光學(xué)輪廓儀憑借高精度三維測量能力，為材料表面特性與力學(xué)性能關(guān)聯(lián)研究提供了可靠支撐，助力汽車、航空航天等領(lǐng)域的精密制造與質(zhì)量控制。

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光子灣光學(xué)輪廓儀

光子灣光學(xué)輪廓儀是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

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超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣光學(xué)輪廓儀以原位觀察與三維成像能力，為表面特性對CFRP / 鋁合金粘接接頭拉剪力學(xué)性能影響的研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動航空航天等高端制造領(lǐng)域質(zhì)量升級的重要光學(xué)測量工具。

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