等離子體處理對AA7075鋁合金表面特性及膠接性能的影響

劉志浩，鄒田春，李曄，巨樂章

等離子體處理對AA7075鋁合金表面特性及膠接性能的影響

劉志浩a，鄒田春a，李曄b，巨樂章a

（中國民航大學(xué) a.安全科學(xué)與工程學(xué)院 b.航空工程學(xué)院，天津 300300）

改善AA7075鋁合金的膠接性能及表面特性，提高膠接強(qiáng)度，研究等離子體處理對AA7075鋁合金表面特性的影響。采用低溫空氣等離子體處理設(shè)備對AA7075鋁合金進(jìn)行表面處理，改變等離子體處理距離及處理速度，通過膠接及拉伸剪切試驗(yàn)對AA7075鋁合金膠接強(qiáng)度進(jìn)行測試，并利用SEM、AFM、接觸角測量儀、FTIR、XPS等對鋁合金表面的物化特性進(jìn)行表征和分析，探究等離子體處理對鋁合金膠接性能的影響及機(jī)理。當(dāng)?shù)入x子體處理距離為5 mm，速度為2 mm/s時(shí)，AA7075鋁合金膠接接頭強(qiáng)度最大為14.56 MPa，與丙酮處理及未處理相比，分別提高約80％、200%。接頭拉伸載荷位移曲線及破壞形貌表明，接頭內(nèi)聚破壞程度增大，膠粘劑呈內(nèi)聚破壞形態(tài)分布在鋁合金兩側(cè)。隨著處理距離從10 mm降低至5 mm，鋁合金表面部分污染物可以有效清除，表面最大高度差從221.8 nm降低至121.6 nm，表面微米級粗糙輪廓增加。同時(shí)，表面水接觸角從46°降低至26°，表面自由能及極性分量增加，鋁合金表面潤濕性及表面吸附性能提高。表面FTIR、XPS測試表明，等離子體處理可以改變AA7075鋁合金表面C1s、O1s、Al2p、N1s、Mg1s等元素含量占比，表面C—C、C—O和O—C=O基團(tuán)含量減少，OH、Al—O等極性基團(tuán)增多，鋁合金表面活性明顯增加。等離子體處理可以顯著提高AA7075鋁合金膠接強(qiáng)度，膠接接頭失效模式由單一界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粘劑內(nèi)聚失效。等離子體處理通過改善AA7075鋁合金表面潤濕、黏附性能，增大粘結(jié)面積，同時(shí)提高表面極性基團(tuán)及表面活性，使鋁合金與膠粘劑膠接界面形成化學(xué)鍵合作用，從而提高其與膠粘劑界面的粘結(jié)強(qiáng)度。

AA7075鋁合金；等離子體處理；膠接；表面潤濕性能；表面輪廓；表面活性

近年來，鋁合金結(jié)構(gòu)輕量化在航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其中AA7075鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)秀的抗腐蝕性能。鋁合金膠接連接是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的連接方式之一，但由于鋁合金表面疏松氧化層、有機(jī)物污染的存在，表面活性較低，容易引起膠接質(zhì)量不穩(wěn)定[1-3]。鋁合金在進(jìn)行膠接前，通常需要進(jìn)行表面處理，改善表面與膠粘劑的界面粘結(jié)性能。常見的表面處理方法有機(jī)械、化學(xué)、物理化學(xué)等，機(jī)械處理包括砂紙打磨、噴砂處理等方法，存在操作誤差大、效率低等缺點(diǎn)[4-6]，而酸、堿刻蝕等化學(xué)改性方法中大部分試劑易對環(huán)境造成污染[7-8]。物理化學(xué)方法主要包括激光處理和等離子體處理等，其中激光處理中過高的激光熱量難以控制，容易使鋁合金基體產(chǎn)生損傷[9-10]。與其他處理方式相比，等離子體表面處理具有在不損傷材料基體的前提下顯著提高表面活性的優(yōu)勢，是一種高效、環(huán)保、低成本的處理方式，其主要原理是利用空氣電離后產(chǎn)生的離子、原子、電子以及光子等具有較高活性的活性粒子對材料表面進(jìn)行沖刷，以改變材料表面的物化特性[11-15]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對工程中常用鋁合金表面進(jìn)行等離子體處理，有效提高了鋁合金的膠接性能。李長青等[16]采用低溫等離子體處理AA5083鋁合金發(fā)現(xiàn)，基體表面活性顯著增加，表面水接觸角由88.7°最低可降至10.1°，表面能由19.21 mJ/m2增加至74.04 mJ/m2，表面氧元素含量明顯增加，而鋁合金表面顯微形貌及粗糙度未發(fā)生明顯改變。林建平等[17]采用常壓空氣射流等離子體對AA5052鋁合金進(jìn)行表面處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理距離較近（≤5 mm）時(shí)，鋁合金表面容易形成易于粘結(jié)的粗糙氧化層，而處理距離較遠(yuǎn)時(shí)，主要起清洗作用。Mandolfino等[18]對AA6061鋁合金進(jìn)行空氣等離子表面處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，等離子體可以同時(shí)對鋁合金表面多種成分進(jìn)行清洗，且清洗效果優(yōu)于丙酮，與丙酮清洗相比，鋁合金的膠接強(qiáng)度提高約1.75倍。Mui等[19]采用大氣壓等離子體射流（APPJ）和介質(zhì)阻擋放電（DBD）2種方式產(chǎn)生的等離子體對AA1100鋁合金進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)，與DBD相比，采用APPJ等離子體處理可以更有效地提高聚氨酯涂層與鋁合金表面的附著力。Williams等[20]采用低溫大氣壓氦氧等離子體對AA2024鋁合金進(jìn)行表面處理，鋁合金表面水接觸角在5 s內(nèi)從79°降低到38°，而砂紙打磨后降低到只有51°。XPS分析表明，經(jīng)過等離子體處理后，鋁合金表面含碳污染物從70%降低到36%，氧含量從22%增加到50%，鋁合金表面活性顯著增加。Wang等[21]采用氬氣、氮?dú)夂涂諝獾?種不同氣體對AA5052鋁合金進(jìn)行常壓等離子體處理（APPT），結(jié)果表明，氬氣等離子體處理可以有效去除基體表面殘留的含碳污染物，但對氧化層的化學(xué)狀態(tài)無明顯影響，而經(jīng)過氮?dú)夂涂諝獾入x子體處理后，鋁合金表面氧化鋁層吸附較多—NH2、—NO3、—OH等極性基團(tuán)，有利于基體與膠粘劑的結(jié)合。綜合以上可以發(fā)現(xiàn)，采用空氣作為等離子體激發(fā)氣體時(shí)，處理效果較佳，采用不同鋁合金作為等離子體處理基體時(shí)，其處理效果和影響機(jī)理均具有較大差異，且由于AA7075鋁合金與其他材料在表面硬度、表面潤濕性及表面化學(xué)組分（Zn、Cu、Mg等元素）的特殊性，等離子體處理對AA7075鋁合金表面物化特性的影響有待進(jìn)一步研究。

鑒于此，本文采用低溫空氣等離子體處理設(shè)備對AA7075鋁合金進(jìn)行表面處理，并制備單搭接膠接接頭，研究了等離子體處理距離、處理速度等參數(shù)對AA7075鋁合金膠接性能的影響規(guī)律，并對等離子體處理前后AA7075鋁合金的表面形貌、粗糙度、表面自由能及表面化學(xué)成分等進(jìn)行表征，系統(tǒng)分析了等離子體處理對AA7075鋁合金表面物化特性的影響規(guī)律及機(jī)理，以期為等離子體處理技術(shù)在航空用鋁合金膠接表面處理工藝中的基礎(chǔ)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1 材料

試驗(yàn)材料選用航空航天中常用的AA7075-T6型鋁合金（南南鋁業(yè)股份有限公司），其長、寬、高尺寸分別為100、25、2 mm，鋁合金主要力學(xué)性能參數(shù)及化學(xué)組分見表1、表2。膠粘劑選用E-120HP型雙組分環(huán)氧樹脂膠（德國漢高樂泰），在常溫下固化24 h成形，膠粘劑主要性能參數(shù)見表3。

表1 AA7075-T6鋁合金力學(xué)性能

Tab.1 Mechanical properties of AA7075-T6 aluminum alloy

表2 AA7075-T6鋁合金化學(xué)組分

Tab.2 Mass fraction of AA7075-T6 aluminum alloy chemical composition wt.%

表3 E-120HP膠粘劑力學(xué)性能

Tab.3 Mechanical properties of E-120HP adhesive

1.2 等離子體表面處理

所用低溫空氣等離子體處理設(shè)備型號為TS- APR01（深圳市東信高科自動化設(shè)備有限公司）。為提高處理效率及均勻性，選用旋噴式等離子體處理噴頭，等離子體處理原理如圖1所示，處理過程如圖2所示。由于處理距離小于5 mm時(shí)，易導(dǎo)致機(jī)器放電不均勻，影響處理效果，因此設(shè)置噴頭與鋁合金表面距離分別為5、10、15 mm，噴頭移動速度分別為2、4、6、8、10 mm/s，其他參數(shù)設(shè)置見表4。未處理及丙酮處理2種處理方式為鋁合金等離子體處理效果的對照組。

圖1 等離子處理原理

圖2 等離子體處理過程

表4 等離子體處理參數(shù)

Tab.4 Plasma treatment parameters

1.3 拉伸剪切試驗(yàn)

參考ASTM D1002[22]進(jìn)行膠接試驗(yàn)，膠接區(qū)域范圍為25 mm×12.5 mm，膠層厚度為0.2 mm。為降低次彎曲效應(yīng)的影響，在接頭兩端粘接厚度為2 mm的矩形墊片，膠接接頭尺寸如圖3所示。采用Instron5982（美國）電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)，設(shè)置拉伸速率為2 mm/min。拉伸強(qiáng)度取3組有效數(shù)據(jù)的平均值，以減小試驗(yàn)誤差。

圖3 膠接接頭尺寸

1.4 表面物化特性表征

采用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋁合金的表面形貌及接頭斷口形貌。利用日本島津公司生產(chǎn)的SPM-9700型原子力顯微鏡（AFM）測量鋁合金表面輪廓及表面粗糙度，測量面積為5 μm× 5 μm。利用SDC-200S型接觸角測量儀（廣東晟鼎股份有限公司）測試表面接觸角，并計(jì)算表面自由能。

利用Thermo Fisher NICOLET IS5型傅里葉紅外光譜儀（ATR-FTIR）對鋁合金表面化學(xué)官能團(tuán)的變化進(jìn)行測試。利用Thermo Fisher K-alpha型X射線光電子能譜儀（XPS）測定鋁合金表面的主要化學(xué)組分及百分比，并使用XPS-PEAK軟件進(jìn)行分峰。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠接強(qiáng)度分析

鋁合金在機(jī)械加工、運(yùn)輸過程中，表面容易受有機(jī)溶劑污染。因此，在進(jìn)行涂膠工藝之前，有必要對鋁合金表面進(jìn)行處理，提高膠接強(qiáng)度及膠接質(zhì)量。AA7075鋁合金表面經(jīng)等離子體表面處理后，制備成膠接接頭，通過拉伸試驗(yàn)獲得不同等離子體處理距離及處理速度下鋁合金膠接接頭的極限載荷，并計(jì)算得到AA7075鋁合金膠接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度，如圖4所示。未經(jīng)表面處理的AA7075鋁合金，膠接強(qiáng)度較低，僅為4.86 MPa，此時(shí)鋁合金與膠粘劑的結(jié)合性能較差。經(jīng)丙酮處理后，膠接強(qiáng)度提高至8.03 MPa，與未處理相比，提高約65%。當(dāng)?shù)入x子體處理距離為5 mm，處理速度為2 mm/s時(shí)，膠接接頭強(qiáng)度最大為14.56 MPa。與未處理接頭相比，膠接強(qiáng)度提高約200%，說明鋁合金與膠粘劑的界面結(jié)合性能得到明顯改善。

圖4 等離子體處理前后AA7075鋁合金膠接強(qiáng)度

從圖4中可以看出，當(dāng)?shù)入x子體處理距離為15 mm時(shí)，隨著處理速度降低，膠接接頭強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)?shù)入x子體處理距離為10、5 mm時(shí)，隨著處理速度從4 mm/s降低到2 mm/s，膠接強(qiáng)度的提高逐漸趨于飽和。這是由于在等離子體處理過程中，等離子體中活性粒子主要在噴頭處聚集，改變噴頭和材料間處理距離及處理速度，均會影響到達(dá)鋁合金表面的活性粒子數(shù)量，從而影響活性粒子與鋁合金表面的相互作用效果，等離子體處理效果會隨處理距離及處理速度的降低而增加，并最終達(dá)到飽和。因此，AA7075鋁合金進(jìn)行等離子體處理時(shí)，應(yīng)綜合考慮處理時(shí)間成本和處理效果，選取合適的處理參數(shù)。

進(jìn)一步分析等離子體處理前后鋁合金膠接接頭載荷位移曲線（如圖5所示）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)入x子體處理速度為4 mm/s，處理距離分別為5、10 mm時(shí)，AA7075鋁合金膠接接頭載荷達(dá)到極限載荷后，存在小幅度波動階段，極限載荷處的載荷位移曲線末端較為圓滑。這說明經(jīng)等離子體處理，膠接接頭達(dá)到極限載荷后，依然有部分膠粘劑發(fā)生內(nèi)聚破壞，等離子體處理可以使AA7075鋁合金與膠粘劑粘結(jié)界面性能增強(qiáng)，膠粘劑性能在接頭破壞過程中得到充分利用。

圖5 等離子體處理前后AA7075鋁合金膠接接頭載荷位移曲線

2.2 膠接接頭失效模式分析

鋁合金膠接接頭經(jīng)拉伸剪切破壞后，其失效模式可分為界面失效（Interface failure）、內(nèi)聚失效（Cohesive failure）以及2種模式共存的混合失效模式（Mixed failure），如圖6所示。等離子體處理前后，AA7075鋁合金膠接接頭的破壞形貌如圖7所示。AA7075鋁合金表面未經(jīng)處理時(shí)，膠粘劑均分布在鋁合金表面一側(cè)，接頭失效模式為界面失效（見圖7a），而經(jīng)丙酮清洗后的接頭表面僅有少部分膠粘劑發(fā)生內(nèi)聚破壞（見圖7b），說明鋁合金與粘結(jié)劑粘結(jié)界面的粘結(jié)力較為薄弱，在接頭受拉伸剪切過程中，粘結(jié)界面容易早于膠粘劑發(fā)生破壞。

圖6 AA7075鋁合金膠接接頭破壞模式

經(jīng)等離子體處理后（處理距離分別為10、5 mm，處理速度分別為4、2 mm/s），隨著處理距離和處理速度的降低，膠接接頭中膠粘劑破壞明顯，且在鋁合金表面兩側(cè)均有分布。經(jīng)等離子體處理后，接頭表面膠粘劑的破壞面積明顯大于丙酮清洗處理及未處理（見圖7c—f），接頭主要破壞模式為大部分膠粘劑內(nèi)聚失效以及少部分界面失效的混合失效。失效模式由界面失效向內(nèi)聚失效的轉(zhuǎn)變，說明接頭在受拉伸剪切破壞時(shí)，等離子體處理可以改善鋁合金與膠粘劑的界面粘結(jié)性能，減少或避免界面失效（脫粘）的發(fā)生，從而提高了AA7075鋁合金膠接強(qiáng)度及膠接質(zhì)量。

2.3 表面形貌及表面粗糙度分析

等離子體處理前后AA7075鋁合金表面SEM形貌及對應(yīng)的AFM表面輪廓如圖8所示。未經(jīng)表面處理的鋁合金表面可見部分顆粒狀碎屑及污染物痕跡（見圖8a），而丙酮處理后，部分表面污染物依然無法完全去除（見圖8b），表面污染物的存在是導(dǎo)致膠粘劑在鋁合金形成弱粘接的主要原因之一。鋁合金表面經(jīng)等離子體處理后，隨著處理距離從10 mm降低至5 mm，鋁合金表面不規(guī)則污染物痕跡逐漸減少，鋁合金表面清潔度得到明顯改善（見圖8c、d），鋁合金基體表面機(jī)械加工紋理清晰可見。在等離子體處理前后，鋁合金表面形貌變化不大。

結(jié)合等離子體處理前后鋁合金表面微觀形貌及粗糙度AFM表征分析發(fā)現(xiàn)，隨著等離子體處理距離從10 mm降低至5 mm，鋁合金表面最大高度差從221.8 nm降低至121.6 nm。同時(shí)，表面產(chǎn)生較多微米級粗糙溝壑，表面平均粗糙度有所降低。這是由于在等離子體的快速沖蝕作用下，鋁合金表面氧化物減少，形成了粗糙度均勻分布的基體表面。因此，經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金表面粗糙輪廓及表面積的增加，以及表面污染物及氧化物的減少，可以增大膠粘劑與鋁合金的界面粘結(jié)面積及機(jī)械互鎖，提高膠接性能。

圖7 等離子體處理前后AA7075鋁合金膠接接頭破壞形貌

圖8 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面形貌及輪廓

2.4 表面潤濕性及表面自由能分析

AA7075鋁合金表面自由能主要由極性分量、非極性分量（色散分量）組成。由OWR（Owens-Wendt- Rebel）公式[23]可知，通過測試出2種或以上液體（極性、非極性）在材料表面的接觸角，可以計(jì)算出鋁合金表面自由能、極性分量和色散分量。

等離子體處理前后AA7075鋁合金的表面接觸角如圖9所示。對比圖9a、b可以看出，未經(jīng)表面處理時(shí)，AA7075鋁合金表面的平均水接觸角為85°；經(jīng)丙酮清洗后，其表面接觸角略有降低，為82°。當(dāng)?shù)入x子體處理距離從10 mm降低至5 mm時(shí)，表面水接觸角逐漸從46°降低至26°，而二碘甲烷接觸角的降低幅度不明顯。表面水接觸角的大幅度降低，說明經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金表面的親水性增加。經(jīng)計(jì)算得到等離子體處理前后鋁合金表面自由能及其組成（如圖10所示），經(jīng)等離子體處理后，鋁合金材料表面自由能從39 mJ/m2提高至68 mJ/m2，其中極性分量從3 mJ/m2提高至31 mJ/m2，而非極性分量無明顯變化。極性分量所占比例的顯著增加（從6.51%增加至51.17%），說明等離子體處理通過增加表面極性分量及其所占比例，可以顯著提高鋁合金的表面潤濕性及表面吸附性能，有利于膠粘劑在鋁合金表面的黏附。

圖9 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面接觸角

圖10 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面自由能

2.5 表面官能團(tuán)及化學(xué)組分分析

為探究等離子體處理對AA7075鋁合金表面化學(xué)組分的影響，對鋁合金表面進(jìn)行ATR-FTIR掃描發(fā)現(xiàn)，AA7075鋁合金表面吸收能在900～1 000 cm–1、2 800～3 800 cm–1等區(qū)域存在差異，其中900～ 1 000 cm–1區(qū)域?qū)?yīng)為Al—O鍵，2 800～2 900 cm–1區(qū)域?yàn)镃H2/CH3，而3 000～3 800 cm–1區(qū)域?qū)?yīng)為水和OH鍵[24]。從圖11中可以看出，經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金表面的Al—O鍵有所增加，說明等離子體中的活性粒子可以使鋁合金表面活性增強(qiáng)。同時(shí)，CH2/CH3等官能團(tuán)減少，說明鋁合金表面含碳污染物減少，表面清潔度有所改善，水和OH鍵的增加，再次表明了等離子體中活性離子使鋁合金表面潤濕性能顯著提高，且可以增加膠粘劑在鋁合金表面的附著力。

為進(jìn)一步探究等離子體處理對鋁合金表面組分、含量及化學(xué)態(tài)變化，對鋁合金表面主要化學(xué)組分進(jìn)行XPS表征。等離子體處理前后，AA7075-T6鋁合金表面的化學(xué)元素組成見表5。相比丙酮處理，經(jīng)等離子體處理后的鋁合金表面，C1s、O1s、Al2p、N1s、Mg1s等組分變化明顯。隨等離子體處理速度的降低，等離子體中活性粒子與鋁合金充分相互作用，使得AA7075鋁合金表面的C含量減少，而O1s、Al2p、N1s、Mg1s等元素含量均有不同程度的增加。結(jié)合AA7075鋁合金表面XPS圖譜（圖12）可以看出，表面C1s含量減少。這是由于等離子體中的活性粒子與鋁合金表面相互作用的時(shí)間增加，活性粒子對基體表面快速沖刷，表面含碳污染物顯著減少，使鋁合金表面含Al2p、Mg1s組分占比增加。鋁合金表面O1s 、N1s含量的增加，主要是由于空氣中氧氣和氮?dú)夥肿痈菀妆患?lì)電源電離，并吸附在鋁合金表面[25]。

圖11 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面ATR-FTIR圖譜

通過對AA7075鋁合金表面C1s、O1s峰譜進(jìn)行分峰（如圖13所示），進(jìn)一步分析等離子體處理對鋁合金表面C1s、O1s含量的影響。從圖13a可以看出，經(jīng)等離子體處理后，鋁合金基體表面C—C含量略微降低，C—O和O—C==O基團(tuán)含量降低明顯（約30%）。這是由于表面部分污染物中含碳官能團(tuán)被等離子體中活性粒子破壞，并隨等離子體活性離子對鋁合金表面的高速沖刷，達(dá)到一定表面清洗的效果。從圖13b可以看出，經(jīng)等離子體處理后，鋁合金基體表面的OH基團(tuán)和Al—O基團(tuán)明顯增加（約20%）。這是由于空氣中的水分子或基體表面少量自由水被電離，從而形成羥基，被吸附到基體表面[26]，這與ATR-FTIR表征分析結(jié)果基本一致。AA7075鋁合金表面羥基及極性基團(tuán)的增加，可以增強(qiáng)鋁合金與膠粘劑之間的氫鍵作用，從而增大分子間作用力，提高鋁合金與膠粘劑的界面粘結(jié)強(qiáng)度。

表5 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面化學(xué)組分及所占比例

Tab.5 Surface chemical composition and proportion of AA7075 aluminum alloy before and after plasma treatment

圖12 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面XPS圖譜

圖13 等離子體處理前后AA7075鋁合金表面C1s、O1s圖譜

3 結(jié)論

1）經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金與膠粘劑的界面結(jié)合性能提高，等離子體處理距離和處理速度分別為=5 mm、=2 mm/s時(shí)，膠接強(qiáng)度最大為14.56 MPa。與丙酮處理及未處理相比，分別提高約80%、200%，接頭主要失效模式由單一界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粘劑內(nèi)聚失效。

2）等離子體處理可以清除AA7075鋁合金表面部分污染物，同時(shí)在基體表面產(chǎn)生均勻微米級溝壑，表面最大高度差逐漸降低，表面清潔且均勻粗糙的輪廓形貌有利于基體表面與膠粘劑形成更多機(jī)械互鎖。

3）經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金表面的水接觸角逐漸減小，表面自由能中極性分量明顯增加（從6.51%增加至51.17%）。等離子體處理使鋁合金表面潤濕性及表面吸附性能顯著提高。

4）經(jīng)等離子體處理后，AA7075鋁合金表面 C—O和O—C==O基團(tuán)等含碳污染物減少。ATR-FTIR及XPS表明，AA7075鋁合金表面的OH、Al—O等極性基團(tuán)增加，基體表面活性增強(qiáng)，有利于基體表面與膠粘劑形成牢固的化學(xué)鍵合，從而提高AA7075鋁合金與膠粘劑的界面粘結(jié)性能。

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Effect of Plasma Treatment on Surface Properties and Bonding Performance of AA7075 Aluminum Alloy

a,a,b,a

(a. College of Safety Science and Engineering, b. College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

This paper aims to improve the bonding performance and surface characteristics of AA7075 aluminum alloy and optimize the bonding strength. The surface treatment of AA7075 aluminum alloy was carried out by using low-temperature air plasma treatment equipment, and the plasma treatment distance and treatment speed were changed. The bonding strength of AA7075 aluminum alloy was tested by bonding and tensile shear experiments, and SEM, AFM, contact angle measuring instrument, FTIR, XPS, and other testing techniques were used to characterize and analyze the surface physicochemical properties of aluminum alloy as well as the effect of plasma treatment on the surface properties of AA7075 aluminum alloy was studied. The results show that the bonding strength of AA7075 aluminum alloy increases with the decrease of plasma treatment distance and treatment speed. When the plasma treatment distancewas 5 mm and the speedwas 2 mm/s, the strength of AA7075 aluminum alloy bonded joint was the largest, which was 14.56 MPa, and it was about 80% and 200% higher than that of acetone treatment and untreated treatment respectively. The tensile load displacement curve and failure morphology of the joint show that the cohesive failure process of the joint increases, the adhesive was distributed on both sides of the aluminum alloy, and the failure mode of the bonded joint changes from single interface failure to adhesive cohesive failure, indicating that plasma treatment can significantly improve the bonding strength of AA7075 aluminum alloy. With the gradual reduction of plasma treatment distance, some pollutants on the surface of aluminum alloy can be effectively removed, the maximum height difference of the surface is reduced from 221.8 nm to 121.6 nm, the surface micron rough contour is increased. At the same time, the minimum water contact angle of aluminum alloy surface can be reduced to 26°, the surface free energy and polarity component are increased, and the wettability and surface adsorption properties of aluminum alloy surface are improved, It shows that plasma treatment can improve the surface wettability and adhesion of AA7075 aluminum alloy and increase the interfacial bonding area between aluminum alloy and adhesive. In addition, after plasma treatment, the proportion of C1s, O1s, AL2p, N1s, Mg1s and other elements on the surface of AA7075 aluminum alloy changes, the content of C—C, C—O and O—C==O groups on the surface decreases, and the polar groups such as OH and Al—O increased, indicating that plasma treatment can increase the polar groups and surface activity on the surface of aluminum alloy and form chemical bonding between aluminum alloy and adhesive, so as to improve the interfacial bonding strength between them.

AA7075 aluminum alloy; plasma surface treatment; the bonding performance; surface wettability; surface profile; surface activity

V252

A

1001-3660(2022)11-0452-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.043

2021–10–25；

2022–03–25

2021-10-25；

2022-03-25

國家自然科學(xué)基金（52071069）

The National Natural Science Foundation of China (52071069)

劉志浩（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟z接與適航技術(shù)。

LIU Zhi-hao (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: bonding and airworthiness certification technology.

鄒田春（1967—），男，博士，副教授, 主要研究方向?yàn)楹娇詹牧吓c適航技術(shù)。

ZOU Tian-chun (1965-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: aircraft materials and structure.

劉志浩, 鄒田春, 李曄, 等. 等離子體處理對AA7075鋁合金表面特性及膠接性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 452-461.

LIU Zhi-hao, ZOU Tian-chun, LI Ye, et al. Effect of Plasma Treatment on Surface Properties and Bonding Performance of AA7075 Aluminum Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 452-461.

責(zé)任編輯：劉世忠