喷丸技术在碳纤维增强树脂基航空复合材料喷漆前处理领域的应用研究

张 朵，毛英坤，李 华，孙宇楠，陈 静，周如东

（1.航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150000；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州 213016；3.中海油常州环保涂料有限公司，江苏常州 213012）

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐疲劳、耐磨损以及易于整体成型等诸多优异性能。将该类材料应用于航空领域，可显著降低航空飞行器的质量，提升飞行器的灵活性、可靠性、携带能力、隐身吸波能力以及尺寸稳定性。为提高碳纤维增强树脂基复合材料制件的装饰性、抗紫外光老化性以及耐介质性，通常需要在材料表面涂覆涂层。然而，在实际生产过程中，为使复合材料成型时便于脱模，常会在模具表面涂覆一层含硅或蜡的脱模剂，在材料成型过程中，脱模剂会扩散到材料表层，形成一层吸附层，该吸附层会阻隔涂料与基体的接触，极大地影响涂层与复合材料之间的结合力。因此，复合材料的喷漆前处理显得尤为重要［1］。

目前，国内航空制造企业对碳纤维增强树脂基复合材料进行喷漆前处理的方式主要为手工打磨，该方式不仅效率低，而且因施工人员个体差异，会出现打磨不均匀、效果差等问题，从而导致喷漆前表面处理质量无法保证。与此同时，飞扬的尘屑会造成环境污染，影响操作者的身体健康。而国外航空制造企业早已采用喷丸技术，即使用塑喷机喷射非金属丸粒至复合材料表面，以去除脱模剂并提高基材表面粗糙度。国外著名的航空企业，如空客、波音公司等均已采用该技术进行喷漆前表面处理［2-5］。

本研究通过对不同喷射条件下处理试片的表面状态、理化性能以及微观结构等进行表征，确定了复合材料喷漆前处理的最佳喷射工艺参数。

1 试验部分

1.1 主要原料及设备

塑料介质丸粒，进口；复合材料专用底漆，中海油常州环保涂料有限公司；碳纤维增强树脂基航空复合材料，哈尔滨飞机工业集团有限责任公司。

LEO 1530 VP扫描电子显微镜，日本HITACHI公司；HC-8000万能材料试验机，苏州华川检测仪器有限公司；USIP 20多通道超声波探伤仪，美国GE公司；STD 2000A喷丸设备，法国罗斯勒公司。

1.2 样品制备

使用压缩空气对经手工打磨或喷丸前处理的碳纤维增强树脂基航空复合材料表面进行吹扫，喷涂复合材料专用底漆，干膜厚度（30±3）μm，在常温环境下养护7 d。

1.3 性能测试

表观状态：目测；喷漆后涂层与复合材料的结合力：按照GB/T 5210—2006进行测试；层间剪切强度：按照ASTM D 2344—2013进行测试；压缩强度：按照ASTM D 6641—2016进行测试；超声波无损检测：检测人员在超声波衰减最小处作标记，以此为基准，其他区域不允许超声波衰减大于9 dB。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数的确定

该喷丸技术所采用的塑喷机通常由喷砂房、介质回收系统、介质分选系统、喷砂系统、通风系统以及电气控制系统组成（图1）。料斗中的塑料丸粒通过输送机构传输至喷砂机喷出，喷砂后的塑料丸粒由介质回收系统回收后，经介质分选系统进行筛分，将尺寸符合要求的丸粒重新传输回料斗，形成一个不断循环的喷砂过程。喷漆前在复合材料零件表面喷射适当强度、硬度的塑料丸粒进行脱膜处理，既能实现去除复合材料零件成型后表面残留的脱模剂等物质的目的，又不会对复合材料零件自身性能造成不良影响。

图 1 塑喷机结构示意图Figure 1 Schematic diagram of plastic sprayer

根据MIL-P-85891 A—1992《用于去除有机涂料的塑料滤料》、波音公司文件BAC 5748、BAC 5725以及塑喷设备制造商推荐的喷涂参数，选取喷射距离、喷射角度、介质流量、喷射压力这4项工艺参数作为研究对象。其中，喷射距离范围为150～250 mm，喷射角度范围为30°～80°，喷射压力范围为6.8～18 kg，介质流量范围为23～36 kg/h。

通过目视检查表观质量的方法对喷射效果进行定性分析，探究各参数的取值对喷射效果的影响规律，在初步进行参数优化试验后，对优化参数试验作如下调整：（1）喷射距离，150～250 mm内喷射效果良好，因此不再作为变量参与摸索，在试验中将喷射距离定为200 mm；（2）喷射角度，在实际生产操作中，由于工件形状多样的限制，喷射角度变化范围较大且不易控制，同时通过试验发现该参数对喷射效果的影响不明显，因此在试验中采用操作方便的角度60°进行喷射，喷射角度也不再作为变量参与摸索试验；（3）喷射压力，当喷射压力＜9 kg或＞16 kg时，无论其他参数如何变化，喷射效果始终明显不好，因此将喷射压力参数取值范围调整为9～16 kg；（4）介质流量，当介质流量＜27 kg/h时，无论其它参数如何变化，喷射效果始终明显不好，因此将介质流量参数取值范围调整为27～36 kg/h。

将喷射距离和喷射角度作为固定工艺参数，喷射压力和介质流量作为变量工艺参数，开展下一步研究工作。

2.2 变量工艺参数的影响

进一步深入研究喷射压力和介质流量对复合材料表观状态以及涂层与处理后复合材料之间结合力的影响，结果见表1。

表1 喷射压力和介质流量对复合材料表观状态以及涂层与处理后复合材料之间结合力的影响Table 1 The effect of spray pressure and medium flow on the surface condition and the adhesion between the coating and treated composite material

由表1可知：（1）随着喷射压力和介质流量的增大，脱模剂的去除效果变好；（2）喷射压力或介质流量过低，脱模剂清除效果差，涂层与处理后复合材料之间的结合力较差；（3）随着喷射压力和介质流量的进一步增大，复合材料的树脂基被破坏，出现碳纤维裸露现象，虽然涂层与处理后复合材料之间的结合力获得增强，但是复合材料本身的性能会有所下降；（4）3#试片、5#试片以及7#试片的目视表观状态良好，并且，涂层与3种试片之间的拉开法结合力均大于16 MPa。

该喷丸技术的原理是通过塑料介质丸粒与复合材料表面之间产生机械摩擦，去除脱模剂并提高基材表面的粗糙度以提高涂层与复合材料之间的结合力。由于复合材料与塑料介质丸粒之间存在物理接触，因此，在保证前处理效果的同时，还需考察该处理方式对复合材料力学性能和微观结构的影响。通过层间剪切强度和压缩强度两项指标来表征复合材料的力学性能；通过超声波无损探伤来表征复合材料是否存在分层缺陷。前处理方式对复合材料性能的影响见表2。

表2 前处理方式对复合材料性能的影响Table 2 Effect of pretreatment methods on properties of composites

由表2可见：（1）与原始试片相比，采用手工打磨和喷丸处理两种方式处理的试片，其层间剪切强度和压缩强度均有所下降，其中，5#试片的力学性能降幅最大；（2）3#试片和7#试片的力学性能降幅较小，且两种试片的力学性能均优于手工打磨试片的力学性能；（3）4种试片的超声波衰减差值均＜9 dB，即手工打磨和喷丸前处理方式均未对复合材料的结构造成超出允许范围的分层缺陷。

综合表1和表2的试验数据可知，喷射压力14 kg，介质流量27 kg/h为最佳工艺参数。

2.3 喷丸技术对复合材料表面状态的影响

选取碳纤维增强树脂基复合材料试片，对其原始状态、手工打磨处理状态以及喷丸处理状态的扫描电镜照片进行对比分析（图2）。

图2 复合材料处理前后的SEM照片Figure 2 SEM photos of composite material before and after treatment

由图2a中可见，未经处理的试片表面呈现细密的细纹状纹理，这是复合材料成型时模具表面的纹理造成的，此外，试件表面还呈现出一些河流状条带凹槽，这些凹槽呈区域性分布，各凹槽之间具有清晰的边界；由图2b和图2c可见，手工打磨和喷丸处理后试片的表面状态相似，均出现了大量的形状不规则、分布随机的封闭纹理，这种粗糙的表面形貌可有效提高复合材料与涂层的结合力，与此同时，采用上述两种处理方式处理的试片表面均未出现纤维裸露或断裂现象，这说明上述两种前处理方式对复合材料的纤维增强结构均未产生破坏。

3 结语

通过对不同喷射条件下处理试片的表面状态、理化性能以及微观结构等进行表征，确定了复合材料喷漆前处理的最佳喷射压力和介质流量。与传统手工打磨前处理方式相比，喷丸前处理技术具有施工效率高、处理效果好、对基材性能影响小的优势，能够满足各种异形件的前处理要求以及环保要求。