光学轮廓仪揭示：表面特性对 CFRP / 铝合金粘接性能影响的研究

 

在材料科学领域，表面特性对碳纤维增强复合材料（CFRP）与铝合金粘接性能影响关键，二者粘接结构广泛应用于汽车轻量化、航空航天等领域。精准表征表面粗糙度与微观形貌是探究粘接机理的核心，光学轮廓仪以纳米级分辨率和三维重构能力成为关键工具。光子湾科技的光学轮廓仪在材料表面力学性能关联研究中优势显著，本研究中为揭示表面特性与粘接性能的联系提供可靠手段。

 

 

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研究背景

CFRP 因轻质高强、耐腐蚀性优，与 6061 铝合金同为轻量化设计核心材料，二者粘接可靠性决定结构安全。粘接接头强度受表面物理化学特性影响大，合理表面处理可优化微观结构与化学状态以提升界面结合力。机械连接存在应力集中、增重等问题，粘接虽应力分布均匀、轻量化，但界面强度不足限制应用。本研究聚焦激光与砂纸打磨对 CFRP / 铝合金表面特性的调控，结合拉剪试验与有限元仿真，揭示表面特性与接头力学性能的关联机制。

 

 

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实验材料与方法

 

 

实验技术路线图

1. 实验材料

被粘物为6061铝合金与T300 碳纤维编织的CFRP，尺寸均为100mm×25mm×2.0mm。胶粘剂选用双组分环氧树脂 Araldite 2015（弹性模量 1.85GPa，剪切模量 0.56GPa）。

2. 试样制备与表征

表面处理设对照组（未处理、160 目砂纸交叉打磨）与实验组（光纤激光打标机处理，功率 10-50W，线间距 0.05-0.15mm，线方向 0°-135° 交叉）。通过光学轮廓仪测表面粗糙度，SEM 观形貌，XPS 析化学成分，接触角测量仪表征润湿性。拉剪试验依 ASTM D5961 标准，用电子万能试验机（速率 2mm/min），每组 4 次重复，剪切强度按 τ=F/S（F 为极限载荷，S 为搭接面积）计算。

 

 

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表面处理对 CFRP / 铝合金表面特性影响

01铝合金表面特性

 

光学轮廓仪表征激光能量密度对铝合金表面形貌的影响

激光处理形成规则沟槽，功率增大使沟槽宽/深度增加，表面粗糙度与接触角上升（0.05mm 线间距时表面粗糙度最大）；交叉网格处理易形成复杂结构，O 元素含量达 81.12%，促氧化层形成。光学轮廓仪显示，砂纸打磨表面粗糙度波动较大（0.8-1.2μm），而激光处理表面粗糙度可控性更强（1.0-2.4μm）。

02CFRP 表面特性

 

光学轮廓仪表征激光能量密度对CFRP表面形貌的影响

激光处理烧蚀表层环氧树脂，暴露亲水碳纤维束，表面粗糙度随功率增大而上升（12.5W 时达 2.4μm），接触角随功率增大而下降（12.5W 时接近 0°）。XPS 显示 O 元素含量提升，引入 C-O-C 基团增强界面反应。光学轮廓仪观察发现，0.075mm 线间距时 CFRP 表面粗糙度均匀性最佳。

 

 

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表面特性对粘接接头强度影响与失效分析

表面处理方式对强度影响

01铝合金 / 铝合金接头

 

在表面粗糙度 1.6-2.0μm、接触角 70-80° 范围内，拉剪强度随表面粗糙度与接触角增大而提升（最大值 20.53MPa），失效模式由界面失效转为内聚失效；当 表面粗糙度>2.4μm、接触角 > 85°，胶粘剂浸润性下降，强度降至 15MPa 以下，重回界面失效。

02CFRP / 铝合金接头

 

表面粗糙度 1.5-2.4μm、接触角 30-60° 时强度最高（21.38MPa），内聚失效占比超 80%；表面粗糙度>2.4μm 时碳纤维束断裂，基体失效导致强度骤降；接触角 > 80° 时环氧树脂残留过多，界面失效为主。

 

 

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有限元仿真改进研究

基于ABAQUS建立内聚力模型（界面失效）与GTN 模型（胶层内聚失效），改进模型可区分失效模式。仿真显示，界面强度参数 σIC≥40MPa 时，接头以胶层内聚失效为主，与实验一致。结合光学轮廓仪测量的表面粗糙度与接触角，给出参数范围：粗糙度1.5-2.4μm 对应 σIC≥40MPa，≤1.0μm 对应 σIC≤30MPa。

综上所述，激光处理可通过调控表面粗糙度与化学状态显著提升CFRP / 铝合金粘接强度，光学轮廓仪在表面微观形貌量化表征中发挥关键作用。光子湾科技的光学轮廓仪凭借高精度三维测量能力，为材料表面特性与力学性能关联研究提供了可靠支撑，助力汽车、航空航天等领域的精密制造与质量控制。

 

 

 

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光子湾光学轮廓仪

 

 

光子湾光学轮廓仪是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

 

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾光学轮廓仪以原位观察与三维成像能力，为表面特性对CFRP / 铝合金粘接接头拉剪力学性能影响的研究提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动航空航天等高端制造领域质量升级的重要光学测量工具。

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