碳纤维表面涂层失效分析及试验改进研究

企业   2025-01-25 08:01   江苏  

道路标线是交通安全设施的核心部分,在交通控制中发挥着不可替代的作用。随着我国道路交通运输业的快速发展,以及原有道路标线涂料的损耗,原有道路以及新建的道路需要重新施划大量的标线[1]。目前我国市面上常见的道路标线涂料主要有4种,分别是溶剂型、热熔型、双组分以及水性涂料其中溶剂型涂料在施工过程中污染严重,施工器械操作复杂双组份和水性涂料虽然施工简单,污染性小,但是耐磨和耐久性较差,使用时间短,使得很难被大规模推广使

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引 言



碳纤维是纤维状的碳材料,其表面能低、润湿性 差且接触角大,化学组成中碳元素占总质量的 90%以 上。在工程应用中,碳纤维材料可以单独使用,但 绝大多数是在一定的表面处理后,制备成复合材料的形式使用。其中,又以碳纤维增强树脂基复合材料为实际应用中的主要形式。碳纤维增强复合材料以其 具有较高的比强度、比模量、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点获得人们越来越多的关注。由于碳纤维材料具备种种优异的性能,常被用作结构材料以及耐高温材料。在国外军用领域方面,美国国防气象卫星的精密天线发射器、欧洲“阿里安 4” 运载火箭的卫星发射支架、仪器舱、大型整流罩以及第一、二级分离壳、助推器前锥和第二、三级间段等均采用了碳纤维复合材料;除军用外,碳纤维材料在各型飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发动机大型叶片、 体育运动器材(如滑雪板、球拍、鱼竿)等民用产品中 也得到了广泛的应用。


鉴于碳纤维增强复合材料具备的性能优势,在某型地面装备中得到了应用。因碳纤维复合材料在装 备服役环境中易受水分及其他腐蚀介质的影响,强紫 外线会加速基材材料老化或促使机械性能降低,而涂覆的面漆具备特种功能,故在装备生产制造过程中须进行底面漆涂覆。涂料发挥作用的基本条件是与基材之间有良好的界面结合力(即附着力)。附着力是指涂层与基材间通过物理、化学、机械作用等方式 相互粘结在一起的能力。涂层的附着力越强,与基材的结合性能越好,实用性、耐久性及相应的功能作用就能更好的发挥。在某型装备试验过程中,碳纤 维增强复合材料表面的涂层发生了剥离、脱落现象, 不仅严重影响了装备正常功能的实现,还造成科研进度迟滞。针对上述问题,在开展原因分析的基础上, 采取一系列措施,通过涂层附着力性能检测及服役环境验证,改善表面涂层性能,提升了装备质量。


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问题分析


某型装备碳纤维复合材料未涂覆状态如图1a)所示,涂层脱落后的表面状态如图1b)所示。分析表面涂层状态,发现涂层分离界面为碳纤维复合材料外表面,且底面漆整体脱落,尤以圆弧部位为甚。

为明确碳纤维复合材料表面涂层剥离、脱落的原因,对涂装工艺流程开展了系统性的梳理分析。


1.1 基材表面质量



涂层的附着力与基材表面粗糙度密切相关,较为粗糙的基材表面能够帮助涂料在流平过程中,更好地进行粘附,避免涂料产生“滑移”;与此同时,表面粗糙度的提升,增加了基材表面与涂料的接触面积,更易于涂料附着。由图1(a)可知,未涂覆及漆膜脱落后的碳纤维复合材料表面光滑、粗糙度小,涂料与基材之间的结合力低,不利于漆膜附着。因此,碳纤维基材材料表面光滑会造成涂层剥离、脱落。


1.2 底漆与基材适配性



涂料与基材的适配性是影响涂层性能的重要因素之一。碳纤维表面涂覆用底漆,选取了以特种环氧树脂为成膜物质、磷酸锌为防锈颜料、改性胺类为固化剂的底漆,搭配以丙烯酸聚氨酯为成膜物质的面漆。底漆及面漆之间适配性良好,复合涂层附着力可达 1 级(按照 GB/T 9286—2021 进行检测),多年使用过程中未发生咬底等质量问题。但该底漆主要适用于钢铁、铝、铜及不锈钢等金属表面,于碳纤维复合材料或其他非金属表面未经适应性验证。在涂料使用过程中,可能因成膜物质与碳纤维基材间表面能差距大,造成涂层成型过程中应力强,进而导致附着力不佳。由此可知,底漆与碳纤维基材适配性不佳可能造成涂层附着力降低。


1.3 涂装工艺



金属表面涂装效果的好坏,除了与基材材料和涂料本身的性能有关外,也取决于涂装工艺。原碳纤维复合材料的涂装工艺流程为:清洗→涂底漆→干燥(80 ℃烘干 1.5 h)→涂面漆→干燥(80 ℃烘干 1.5 h)→检验。 通过调研发现,工人未能严格执行涂装工艺,可能对碳纤维基材涂层的附着力造成影响。在对碳纤维基材喷漆过程中,先对表面进行清洗除去杂质,再喷涂底漆,待底漆表干后即涂覆面漆。因底漆未能彻底干燥,湿膜情况下附着力低,加之碳纤维基材表面光滑,在此条件下涂覆面漆形成的复合涂层,其附着力性能难以得到保障。


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试验过程


2.1 试验材料



为更精确测试底漆及复合涂层在碳纤维基材上的附着力 ,依照 GB/T 1727—2021 制备碳纤维试板(单向预浸料),如图 2 所示。


2.2 试验设备与环境



产品及试板涂装过程中使用 W-71 型空气喷枪; 在进行手工砂纸打磨前处理的同时,使用 LCS100 型激光清洗机对碳纤维表面开展激光清洗;喷涂完毕后于涂装生产线加热烘干设备内干燥;试板上涂层附着力检测使用QFD型附着力检测仪。为消除外部环境因素对试验的影响,避免腐蚀介质削弱涂层性能,确保涂装作业环境稳定,试验开始前开启通风设备,调整环境温度至15~25 ℃,相对湿度45%~55%。


2.3 试验内容




根据问题分析得出的影响涂层附着力原因,通过善 碳纤维表面状态 、提升粗糙根据基材特性,采用复合材料专用底漆,并制定涂装工艺;结合前期经验,优化涂装工艺过程,确定最佳干燥固化参数。综合上述工艺改进方法,使碳纤维复合材料底面漆涂层体系附着力≤1级,并顺利通过装备服役环境验证。


2.4 试验措施


综合前文所分析的原因,针对碳纤维表面使用激光清洗及手工打磨方式,提升粗糙度;在开展适当前处理的基础上,使用复合材料专用底漆及丙烯酸聚氨 酯类面漆,结合适当的工艺参数,对碳纤维基材进行表 面喷涂。涂覆后的标准试板经划圈法(GB/T 17202020)及划格法(GB/T 92862021),分别测定底漆附着力与底面漆间结合力;涂覆后零部件经高海拔、高相对湿度、高温条件下装备服役环境 500 km 里程验证考核。

2.4.1 漆前处理试验 
(1)激光清洗试验为去除碳纤维基材表面灰尘等杂质,同时提高粗糙 度,使用LCS 100型激光清洗机进行基材表面处理。在同一碳纤维零部件上划分区域,开展试验。结合激光清洗机可调整变量,制定试验参数如表1所示。
(2)手工打磨试验在开展激光清洗前处理试验的同时,对碳纤维基 材还进行了传统的手工打磨后清洗处理,具体操作要 求如下: 
①使用防护工具或工装对零部件非喷漆表面进行 防护后,使用粗砂纸(120# )对碳纤维表面进行打磨; ②对圆弧及过渡部位进行重点打磨。手工打磨采用交叉法,各方向打磨次数须≥3 道次,每方向打磨 完毕后,旋转一定角度进行另一方向的打磨。手工打磨至碳纤维表面轻微发白;③手工打磨完毕后,使用清洗剂清洗碳纤维表面。激光清洗及手动打磨后,喷涂原环氧树脂涂料,以确定最优前处理方案。

 2.4.2 复合材料专用底漆涂装试验 
在制定最优前处理方案基础上,分别于碳纤维标准试板及零部件表面喷涂复合材料专用底漆及底面漆涂层体系。喷涂复合材料专用底漆≥2 道,涂覆厚度 40~60 μm。涂覆底漆完毕后,于烘干设备内 80 ℃×1.5 h 干燥,再涂丙烯酸聚氨酯面漆≥2 道,涂覆厚度 30~60 μm。底面漆涂覆后彻底干燥。

 2.4.3 装备服役环境验证 
将涂覆了复合材料专用底漆及丙烯酸聚氨酯面漆的零部件,搭载于某型号地面装备上,为更加准确地表征涂层于装备实际服役环境中的性能,特将零部件安装于靠近地面位置处,使涂层经受砂石飞溅、高强度振动的冲击,并通过在高温、高湿、高海拔地区的 服役环境开展综合性能验证考核。


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试验结果分析


3.1 前处理效果对比




(1)激光清洗 
按照表1参数,在同一件碳纤维零部件上进行分区激光清洗。对比图2 及图3(a)可知,激光清洗后碳纤维表面颜色加深,但随着激光功率及频率的改变, 表面处理效果无明显变化。在各分区平面位置使用划格法测附着力≤1 级;圆弧过渡位置涂层发生较大面积脱落,附着力≥4 级。由此可知,激光清洗对平面的处理效果较好,喷涂环氧树脂底漆及丙烯酸聚氨酯面漆的涂层体系附着力强;对圆弧及过渡部位的处理效果差。说明激光清洗效果可能受到零部件外形轮廓影响,因此在碳纤 维零部件上的推广应用有待进一步试验。 

(2)手工打磨
碳纤维零部件经手工打磨至表面发白,并用清洗剂去除浮粉及杂质,如图 4(a)所示。再喷涂环氧树脂底漆及丙烯酸聚氨酯面漆,并使用划格法测附着力,发现零部件平面位置处附着力≤1 级,如图 4(b)所 示;圆弧过渡位置附着力≤3 级,如图 4(c)所示。由此可知,相较于激光清洗,传统的手工打磨方式更易操控,对圆弧过渡位置的清理、打磨作用更强,因此可以提高表面涂层的附着力。但底面漆涂层体系与圆弧位置的附着力仍有较大改善的空间。通过对比试验,确定以手工打磨后清洗作为前处理方式,在此基础上开展复合材料专用底漆喷涂试验验证。


3.2 复合材料专用底漆涂装试验


对图 2 所示的碳纤维试板进行手工打磨及清洗处理,并按照 2.4.2 中的要求,喷涂复合材料专用底漆及丙烯酸聚氨酯面漆。使用划圈法测碳纤维试板底面漆涂层附着力≤1 级,如图 5(a)所示;使用划格法测底面漆间结合力≤1 级,如图 5(b)所示。对涂覆底漆的碳纤维零部件进行划格法测附着力,平面位置处附着力为 0 级,如图 5(c)所示;圆弧过渡位置处附着力 ≤1 级,如图 5(d)所示。由此可知,涂覆了复合材料专用底漆的涂层较原涂层附着力有显著提升,对比情况 如表 2 所示。


3.3 服役环境验证考核



装备搭载涂覆了复合材料专用底漆及丙烯酸聚氨酯面漆的零部件,完成了高温、高湿、高海拔服役环境下500 km 的考核验证。碳纤维基材表面涂层完整、色泽均匀,无剥离、脱落等缺陷,如图 6(a)所示。 对零部件圆弧位置使用划格法测附着力≤1 级,如图 6(b)所示。同批次开展对比试验的其他底面漆涂层体系(改性环氧树脂底漆+丙烯酸聚氨酯面漆,前处理为手工打磨),在服役环境下发生了较大面积的脱落,如图 6(c)所示。由此可知,通过漆前处理及涂装工艺参数优化,涂覆了复合材料专用底漆及丙烯酸聚氨酯面漆的涂层体系,不仅静态检测下附着力强,于装备实际服役环境中也有良好的表现。


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结 语


随着航空航天领域、汽车制造业及国防工业对轻 量化高强度材料需求的与日俱增,碳纤维增强复合材料以其高比强度、比刚度以及优异的耐高温、抗摩擦 与耐腐蚀等特性得到越来越多的应用。某型地面装 备零部件采用了碳纤维基材制造,在前期试验过程中发生了涂层大面积脱落问题。本研究通过一系列工 艺试验、性能检测及装备服役环境验证,成功解决了漆膜剥离、脱落的问题,使装备顺利通过试验考核。在开展试验研究的基础上,得出结论如下: 

(1)通过适当的漆前处理(采用了手工打磨方 式),提升碳纤维基材表面粗糙度,可以增加涂料与基 材间的物理机械结合力,从而提升涂层附着力;

(2)根据碳纤维基材特性研制适配的底漆,在手 工打磨提升表面粗糙度的基础上,底漆附着力可达 0 级,较原环氧树脂涂层附着力 1 级有所提升; 

(3)优化后的涂装工艺为:手工打磨后清洗→喷 涂复合材料专用底漆→烘干(80 ℃×1.5 h)→喷涂丙烯酸聚氨酯面漆→烘干(80 ℃×1.5 h)→检验。通过 工艺优化,复合材料专用底漆与丙烯酸聚氨酯面漆间 结合力可达 1 级,复合涂层体系与碳纤维基材附着力 ≤1 级,装备通过高温、高海拔、高湿服役环境下 500 km 里程考核。

(4)随着时代的发展,新型材料的研发及应用层出不穷,这就要求在常规钢铁、铝合金、钛合金等金属材料以及塑料等非金属材料用涂料的基础上,通过研发新型涂料,采用激光清洗、等离子清洗等先进表面 改性手段,综合提升基材与涂料结合力,是表面处理工作者应关注的重点之一。



作者:高植,惠春雷,任雁,宋旭杰,陈利华,邬晓颖

(北京北方车辆集团有限公司,北京 100072)


编辑:顾盛康、陈瑶

来源:涂层与防护

如需转载,请标注出处。

完整内容请见《涂层与防护》官方网址

2024年第11期

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