[發明專利]一種用等離子體處理的碳纖維制備電阻焊發熱元件的方法

在審

• 申請號: 202010013372.3
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111215739A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 崔旭;王道晟;蒲永偉;孟慶實;王朔;李曉東;張辰;許鵬;賀軍;李威
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B23K11/00
• 分類號: B23K11/00;B23K11/31;B23K11/36;D06M10/02;B08B3/12;B23K103/16
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李晴

一種用等離子體處理的碳纖維制備電阻焊發熱元件的方法，包括如下步驟：(1)將碳纖維放入溶劑中超聲清洗，取出烘干；(2)將烘干后的碳纖維進行等離子體處理；(3)將等離子體處理后的碳纖維裁成碳纖維束，采用預浸的方法使樹脂浸潤到纖維束中，將浸潤好的纖維束平鋪在鋁合金薄板上，放入烘箱烘干，得到加熱元件。本發明方法能夠應用于大型具有復雜曲面復合材料結構的連接裝配，在航空、航天、汽車等復合材料連接領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于復合材料連接技術領域，具體涉一種用等離子體處理的碳纖維制備電阻焊發熱元件的方法。

背景技術

先進復合材料是指由高性能連續纖維與聚合物復合并通過特定的工藝制備的多相材料，具有輕質高強高模、耐高溫、抗疲勞、可設計及尺寸穩定性等特性，已取代航空鋁材成為航空航天主承力結構的首選材料。隨著復合材料成型技術的不斷進步，先進復合材料構件的發展方向是力求實現結構的整體性。但是由于受結構設計和工藝的限制，仍需安排一定的結構分離面和工藝分離面，所以構件之間裝配連接是必不可少的環節。復合材料零件之間傳統的連接方法主要是：膠接和機械連接。復合材料機械連接具有易于質量控制、便于裝卸、安全可靠、強度分散性小、載荷傳遞性能好等優點；同時也存在由于開孔引起應力集中、連接效率低以及增加緊固件重量等缺點；機械連接一般會使結構件增重20％左右。膠接連接是借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，不同于機械連接，膠接連接無需開孔，且具有效率高、結構重量輕的優點，非常適合異形、異質、薄壁、復雜的零件的連接。但膠接連接質量控制比較困難；固化時間長；膠接頭性能易受環境(濕、熱、腐蝕介質)的影響；膠接連接后一般不可拆卸。

為了克服復合材料膠接工藝和機械連接存在的問題，近年來興起了復合材料焊接技術；其主要是將電、光、電磁、超聲等能量轉變成熱量，對兩種或兩種以上同種或異種材料加熱使母材熔化或者發生塑性變形，通過原子或分子之間的結合和擴散連接成一體的工藝。焊接技術在飛機復合材料零部件裝配和修復過程中是一項非常快速和短周期的連接技術。

電阻植入焊接技術(簡稱，電阻焊)具有設備簡單、操作方便、加熱速度塊等優點，是理想的熱塑性復合材料焊接方法。金屬絲網是復合材料電阻焊過程中常用的發熱元件，但是金屬網和先進復合材料為不同性能的材料，在焊接后會導致焊接頭引入異種材質，尤其金屬材料埋藏在樹脂中會引起電化學腐蝕，同時由于金屬材料與樹脂基纖維復合材料具有較大的熱膨脹系數差異，會導致焊接頭產生不穩定的應力集中，形成不可避免的內應力，最終破壞焊接頭原本的高連接性能。

因此，選擇與復合材料為同種材質的碳纖維作為電阻焊的加熱元素會最大程度上避免這些問題。因為碳纖維對樹脂基體具有比金屬網對樹脂基體具有更好的浸潤性和熱膨脹系數，所以碳纖維相對于金屬網更適合作為電阻焊的加熱元素。基于此，為了進一步增強碳纖維作為電阻焊的加熱元素的焊接強度，需要改善碳纖維對樹脂基體的浸潤性，現階段已經有人提出過酸堿腐蝕的方法，超聲波表面處理的方法，表面原位生長碳納米管的方法等，但是還沒有人提出過利用等離子體處理修飾碳纖維表面來增強電阻焊接頭強度的方法。實驗證明低溫等離子體處理技術是一種有效改善芳綸纖維表面性能以及提高纖維與樹脂基體浸潤性的有效方法。經過等離子體處理之后，纖維表面會引入大量的極性基團，這些極性基團可以和樹脂基體形成穩定的化學鍵；同時經過等離子體處理之后的纖維表面會出現大量的凹坑，這些凹坑是纖維表面的極性基團在等離子體處理之后發生重排、翻轉，或者與空氣中的活性粒子生成反應性氣體揮發后導致的刻蝕坑，由于這些凹坑的存在，進一步的提高了纖維表面的粗糙度，增強了樹脂與纖維間機械自鎖能力，從而增強了焊接頭的力學性能。因此，開發等離子體處理碳纖維增強焊接頭強度的方法具有重要的現實意義。

本發明擬通過等離子體處理碳纖維來增強焊接頭強度，以等離子體處理過的碳纖維作為發熱元件，利用被處理后的碳纖維表面的極性基團和凹坑來同步改善加熱元素和樹脂界面的粘結強度。本發明預期在航空航天、交通運輸領域具有廣泛應用前景。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種用等離子體處理的碳纖維制備電阻焊發熱元件的方法。