Laseroberflächenbehandlung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren für das strukturelle Kleben in der Luft- und Raumfahrt

Abstract

n der Dissertationsarbeit wird die Wirkung von Laserstrahlung auf CFK Materialien untersucht, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Hierbei geht es einerseits um die Reinigungswirkung der Oberflächen durch die Entfernung der Produktionsrückstände (Trennmittel). Andererseits geht es um die Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche um eine hohe Klebfestigkeit zu erreichen. Im Fokus steht hierbei ein Verständnisgewinn der Abtragsmechanismen bei der Entfernung der Trennmittelrückstände während der Laserbehandlung. Eine Motivation hierbei ist es nur minimal Material abzutragen im Gegensatz zu der in der Literatur meist untersuchten Faserfreilegung. Im Rahmen der Arbeit wird hierfür ein Modellansatz aufgestellt der ein Durchstrahlen des Trennmittels und eine oberflächennahe Sublimation des darunterliegenden Harzmaterials postuliert. Durch Untersuchungen mit einem 266 nm ns-gepulstem Nd:YAG Lasersystem sowie Oberflächenanalytik (z.B. Rasterelektronenmikroskop, Energiedispersive Röntgenspektroskopie) konnte der "explosionsartige" Abtrag aufgezeigt werden. Die aufgestellte Modellvorstellung wurde durch UV-Vis-Spektroskopie, sowie mittels einer Partikel-Absaugvorrichtung und Track-Etch-Filtern aufgefangener Kontamination soweit untermauert, als gezeigt werden konnte, dass das Harzmaterial während der Laserbehandlung in die Gasphase übergeht während die abgetragenen Trennmittelrückstände nicht sublimiert werden. XPS-Finescans zeigten die Bildung von funktionalen Gruppen auf den gereinigten Oberflächen. Eine mögliche Erklärung für die signifikanten Verbesserungen der resultierenden Klebfestigkeit nach der Laservorbehandlung im Vergleich zu aktuell vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt verwendeten und untersuchten Klebvorbehandlungsverfahren.