[發明專利]基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝

有效

• 申請號: 201710180503.5
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN106926472B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 王輝;郝旭飛
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B29C65/50
• 分類號: B29C65/50;B29C65/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發明公開了一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝，包括以下步驟：將碳纖維板和金屬板放置于定位夾具中，使金屬板放置于碳纖維板的上方；將金屬板進行加熱使其溫度達到膠膜軟化溫度的75%~85%；將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板之間的膠接區域；通過超聲波振動工具頭對碳纖維板指定區域施加間歇性超聲波振動，同時對金屬板進行持續加熱；上升超聲波振動工具頭，將膠接件連同定位夾具一起放置鼓風干燥箱中一段時間直至其固化。本發明提出的基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝，避免了高溫壓頭傳熱的方式導致膠膜受熱不均勻，造成膠膜固化程度與被粘接面粘接強度不均勻的問題。

技術領域

本發明涉及膠接技術領域，尤其涉及一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝。

背景技術

堅持推動綠色可持續發展，大力推進節能減排降耗稱為“國家十二五規劃”的重要指導思想。輕量化是節能減排的重要方法之一，碳纖維增強型復合材料(Carbon fiberreinforced plastic/polymer，CFRP)以其輕而強、抗疲勞、抗腐蝕、生產能耗低等特性，已經成為深度輕量化中主、次結構件的首選材料，在大型飛機、風力發電葉片、汽車部件、石油開采抽油桿、電力輸送電纜等領域的應用增長迅速，為實現節能減排國家目標作出了重要貢獻。

碳纖維復合材料的廣泛使用，使得碳纖維復合材料的連接成為了一個重要的課題，也成為產品設計的關鍵，直接決定碳纖維輕量化應用的結果是否成功。因此很多原始設備制造商正致力于連接技術的研究。碳纖維材料連接常用的方法有：機械連接（螺栓連接、鉚接）和膠連接兩種。機械連接有施工簡單、便于檢查、受環境影響小等優點，但同時打孔等機加工會切斷碳纖維 材料的纖維，使材料本身的各向異性嚴重、韌性差、缺口敏感度高等弱點更加突出，容易形成嚴重的應力集中從而導致脆性破壞。膠連接，簡稱膠接，是借助膠接劑將零件連接為不可拆卸的整體，具有受力面大承載能力強，應力分布均勻，防止電化學腐蝕等優點，更重要的是相對于機械連接，膠接無需機械緊固件（如螺釘、螺母等），不會因打聯接孔破壞纖維連續性，從而充分利用材料的全部強度，同時也較好地規避了碳纖維本身的各向異性嚴重、韌性差、缺口敏感度高等問題。因此，膠連接比機械連接更廣泛地應用于碳纖維先進復合材料的連接設計中，成為了解決其輕量化連接的關鍵技術之一。

膠接工藝中膠接強度和穩定性問題一直是人們關注的焦點。盡管膠接工藝也存在易老化、固化周期長、耐熱性較低等問題，這些問題基本上可以通過開發新型膠接劑而得到緩解和克服。但對于膠接強度難控制和強度分散性大的問題，卻無辦法單純通過采用新膠接劑材料而解決，不論是采用何種膠水都沒有辦法改變膠接工藝難以控制與膠接質量不穩定的問題，這些問題是由膠接工藝本身所產生的，因此必須從膠接工藝本身來解決。目前，不少學者采用被動強化的方法，即通過化學、物理方法對碳纖維復合材料的膠接表面進行處理改善膠接界面的潤濕性以提高碳纖維復合材料的膠連接強度、穩定性。但是采用被動強化方法，仍然存在無法對碳纖維的膠接過程進行外部控制進而保證其穩定性的缺陷。

采用環氧膠、聚氨酯膠等粘接劑液體直接粘接碳纖維等復合材料與鋁板等金屬材料，一方面粘接劑液體中含有揮發性物質、污染環境，另一方面使用粘接劑液體膠接碳纖維等復合材料與鋁板等金屬材料的過程中，膠接區域非常容易出現氣泡等嚴重影響膠接強度的缺陷，而且膠接區域中氣泡的出現非常偶然與不可控，這嚴重影響著產品膠接的穩定性，從而制約著膠接產品的推廣與發展。膠膜是無溶劑的固體，不會有揮發物，無污染，加工操作方便，且粘接方便。因此開始出現通過膠膜采用熱壓粘接工藝實現膠接。但是熱壓粘接工藝中，存在高溫壓頭傳熱的方式將導致膠膜受熱不均勻，造成膠膜固化程度與被粘接面粘接強度不均勻等問題，且采用熱壓膠膜粘接工藝的過程中，在一定的壓力與溫度下膠膜會軟化、流動，從而在膠接區域產生氣泡，最終影響膠接的可靠性與穩定性。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝，旨在避免高溫壓頭傳熱的方式導致膠膜受熱不均勻，造成膠膜固化程度與被粘接面粘接強度不均勻的問題。