使用常压等离子体束表面处理复合材料结构体的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用至少一种处于大气压下的等离子体束表面处理复合材料结构体的预定区域的方法，所述方法是为了有助于所述复合材料结构体对另一结构体的粘合剂粘接，所述处于大气压下的等离子束由安置有发射喷嘴的等离子体发生器产生，在所述方法中：ａ）从包括在０．２和１０ｃｍ之间的距离，将穿过喷嘴发射的等离子体束投射在复合材料结构体上，所述等离子体束可以包括反应性气体；ｂ）以包括在７５°和１０５°之间的入射角将等离子体束投射在复合材料结构体上。优选将本方法应用于碳纤维或玻璃纤维和环氧树脂或双马来酰亚胺树脂结构体。本方法中的其它相关变量是等离子体束功率和处理速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及一种使用常压等离子体束表面处理复合材料表面的方法， 具体地，涉及有助于它们对另一复合材料表面或另一基底的粘合剂粘接的 复合材料表面处理方法。专利技术背景在航空工业中，尤其是对于使用碳纤维复合材料制造的结构的情况下， 粘合剂粘接的设计是正在引起兴趣的领域。粘合剂粘接的数量和结构重要 性在近年中日益增长，并且在大多数的情况下，结构的强度由它们粘接的 强度决定。相对于传统的机械粘接(铆接或螺接)，粘合剂粘接具有许多优点这 些粘接不需要对结构的钻孔，它们将应力分配在比机械粘接更大的面积 上，并且增加较少的重量，以及对疲劳具有更大的强度。进行粘合剂粘接时所得到的结果由接触的相之间的相互作用类型决 定。所述相互作用借助于几种粘附机理而产生界面中的化学键形成、机 械交联、静电粘附、大分子扩散，以及吸附或润湿。当对粘合剂粘接进行机械试验时，得到了比借助于计算方法所得到的 理论粘接能高几倍的粘接能。这归因于以下事实施加在粘合剂粘接上的 机械应力引起相的显著局部扭变，并且在材料是耗散材料的情况下，由于 粘弹性或塑性形变，在破坏附近的区域中发生了相当大的能量消耗。使界 面粘接破裂所需的能量与使固体变形所需的能量之间的这种协同作用达 成增加粘合剂粘接的强度。但是，粘合剂粘接所具有的全部优点都以一系列影响它们的效率的因 素为条件在基底粘接之前的表面处理、粘接伺服温度、由于粘合剂和粘附体(adherent)之间的热膨胀系数的不同而产生的残余热应力，以及粘接的几何形状。同样地，必须考虑的是，由于高湿度水平、温度波动和紫外线 辐照入射所引起的影响，因此遭受外部介质作用的粘合剂粘接结构的界面 粘合的耐久性是关键性的。考虑到几何和热的因素， 一旦粘合剂粘接的设计被最优化，在基底粘 接之前对基底进行的表面制备就或许是粘接的最终效率和耐久性的最具 决定性的因素。 -由于以下事实，聚合物表面通常难以润湿和粘接它们具有低水平的 表面能，它们可能与粘合剂不相容或甚至是化学惰性的，或者简单地涂覆 有弱的边界层或污染物。涉及聚合物材料之间的粘合剂粘接的最终效率的因素的数量使得非常 难以发现保证它们的质量的体系。粘合现象中这么多变量的干涉在一些情 况下使得在粘合剂粘接中所得到的结果中实现稳定性和重复性变复杂。这 就是为什么在许多场合中，粘接接合处的控制需要复杂而昂贵的试验，用 于保证最终的质量。可靠和重复的粘接方法的获得允许减少或消除这些试 验，从而在生产成本大幅度降低的同时，保证最终质量。基底的表面制备是粘接方法的阶段(phase)之一，其在大的程度上决定了从粘接得到的最终结果，因此该阶段的最优化决定所得质量的保证。这 就是为什么在整个过去已经开发了不同表面处理，以改善聚合物基底的粘 合。全部的这些处理的目的是改善粘合剂粘接的最终效率，并且能够保证 得到的结果的不变性。在所开发的处理中，最普通处理是与氧化化学试剂 的使用、各种物理化学方法的使用、以及最后在基底表面上引入官能团相 关的那些处理。全部的这些处理在无数的工业应用中得到了广泛发展，但是它们中的许多具有某些缺点-化学方法在清洁和表面制备过程中，有机溶剂例如甲基乙基酮(MEK)、异丙醇(IPA)、丙酮或甲苯的使用存在易燃性的风险，以及对于操作者的安全和卫生问题。-物理方法清洁和脱脂处理必须在机械磨蚀系统(砂磨、喷砂等)之前。 这些过程产生废物，所述废物必须随后被除去，从而使得它不污染待粘接 的表面。此外，在磨蚀过度的情况下，处理的表面的形貌可能被严重损坏，从而减少接触表面，影响机械交联，简而言之，弱化了粘合剂粘接。-物理化学方法由于物理化学处理(火焰、电晕(crown)、氧化化学作用等)在处理的聚合物表面上引入氧化基团(羰基、羟基和羧基)，因此它们 显著地增强了聚合物基底的润湿性和粘合。所有这些方法都在聚合物加工 工业中被广泛传播，但是它们的主要缺点在于处理的表面缺乏稳定性。借 助于这些处理得到的粘附特性的改善随着时间的过去而逐渐劣化，因而粘 合剂粘接的最终特征将取决于预处理的基底的劣化。此劣化基本上具有两 个原因氧化官能团在它的贮存期间朝向聚合物内部的再取向和迁移，以 及更低分子量物种的部分损耗。此类型的处理的另一个缺点在于，它们引 起分子分裂过程。该分裂引起产生新界面的低分子量表面物种，所述新界 面对环境条件非常敏感，并且它们的劣化会影响该新界面，从而引起粘合 剂粘接性质和它的长期耐久性这两者的降低。为了克服源于所有的这些表面处理的性质的劣化和消失的缺点，已知 的方法是，通过以两个阶段应用的系统来改善聚合物基底粘合1. -借助于物理或物理化学方法的表面活化。2. -与表面物种相互作用的化合物的应用，保护了活化，并且起粘合促 进剂的作用。所有的这些方法的主要缺点是由于对处理方法增加步骤所致的复杂 性，以及用作粘合促进剂的化学品的特异性，所述化学品必需适合于基底 的各种化学性质。借助于激光的表面处理需要昂贵和复杂的设备，并且它们的效率由于 激光束能够覆盖小的面积，以及源于处理表面的热劣化所致的问题而降 低。紫外线辐照处理是用于聚合物表面处理的令人感兴趣的备选方法。UV 辐照可以独自应用或与氧气或臭氧一起应用。此类型处理的主要缺点在 于，它们需要使用有机溶剂的预先清洁过程，从而导致了处理成本的增加， 以及安全和卫生的问题。通过等离子体的处理显著提高聚合物基底的粘合，从而达到需要水平 的表面活化和润湿性。通过此类处理得到的粘合剂粘接的强度比那些借助 于磨蚀方法处理的粘合剂粘接的强度大四倍。可以在控制的处理条件下，借助于与气体、气体的混合物或单体的加 入相结合的等离子体系统的使用，来提高表面能和润湿性水平，所述气体、 气体的混合物或单体选择性地对聚合物表面结合不同类型的化学物种。常规等离子体系统具有的大的缺点在于，等离子体是在低压下产生的， 因此待处理的元件的尺寸受限于加压室的尺寸。能够在大气压下产生等离 子体的设备的外观消除了该尺寸缺点，并且相当大地拓展了此类处理的应 用领域，使得它们易于在大规模生产系统中自动操作和安装。此系统是简 单的，不需要辅助操作，在消除污染物的同时活化处理表面，并且对于合 理的储存时间没有可感知的劣化。在关于常压等离子体的已知技术中，必须指出在下列专利中描述的技术-美国专利5,185,132，"常压等离子体反应及其装置(Atmospheric plasma reaction and apparatus therefor)"。此专利描述了一种常压等离子体产生方 法，所述方法通过将介于惰性气体和反应性气体之间的气体或混合物引入 到容器中，在此，它们在涂覆有介电材料的电极的作用下反应。还公开了 常压等离子发生器的构造和操作。-美国专利5,928,527。"使用大气压辉光放电等离子体源的表面改性 (Surface modification using atmospheric pressure glow discharge plasma source)"。在此专利中，描述了一种通过使用由射频信号产生的常压等离 子体的表面改性方法。所述等离子体是在低于IO(TC的温度下，由氧气或 氧气和惰性气体的混合物产生的。在此整个专利中，列出了影响广泛多种 材料(半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用至少一种处于大气压下的等离子体束表面处理复合材料结构体的预定区域的方法，所述方法是为了有助于所述复合材料结构体对另一结构体的粘合剂粘接，所述处于大气压下的等离子束由安置有发射喷嘴的等离子体发生器产生，所述方法的特征在于：ａ）穿过所述喷嘴发射的所述等离子体束可以包括反应性气体，从包括在０．２和１０ｃｍ之间的距离，将所述等离子体束投射在所述复合材料结构体上；ｂ）以包括在７５°和１０５°之间的入射角将所述等离子体束投射在所述复合材料结构体上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：乌雷尼亚西尔维娅拉扎卡诺，
申请(专利权)人：空客西班牙公司，
类型：发明
国别省市：ES[西班牙]