[發明專利]一種基于金屬表面微錐結構設計與加工的激光加熱連接金屬與連續纖維增強復合材料的方法

有效

• 申請號: 202011247354.8
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112497760B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 管迎春;王海鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B29C65/16
• 分類號: B29C65/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種基于金屬表面微錐結構設計與加工的激光加熱連接金屬與連續纖維增強復合材料的方法，通過在金屬與連續纖維增強的復合材料連接界面形成互鎖結構實現金屬?連續纖維增強復合材料之間的高強度連接，解決了使用現有激光連接方法難以實現金屬與連續纖維增強復合材料之間高強度連接的問題。本發明利用激光加熱連接金屬與連續纖維增強復合材料的方法按以下步驟實現：一、使用激光清洗技術去除金屬材料表面氧化層；二、采用激光加工系統在去除氧化層后的金屬材料表面加工出設計的微錐陣列結構；步驟三、將金屬材料固定在激光加工平臺上，確定金屬連接表面微錐陣列結構激光加工工藝路徑，在金屬連接表面加工出設計的微錐陣列結構；步驟四、使用夾緊裝置將金屬連接區域微錐陣列結構表面與熱塑復合材料重疊、夾緊，使用激光加工系統加熱金屬表面，金屬連接表面微錐結構在兩側夾緊力作用下嵌入被加熱的熱塑復合材料表面，在接頭連接界面形成互鎖結構，實現連接接頭的高連接強度和高疲勞壽命。

技術領域

本發明涉及微結構設計與激光加工以及激光輻射加熱連接技術領域，特別是涉及一種基于金屬表面微錐結構設計與加工的激光加熱連接金屬與連續纖維增強復合材料的方法。

研究背景

金屬與非金屬材料之間的連接在航空航天、汽車制造、醫學器件、石油化工、微電子封裝以及真空集熱管等領域具有廣泛應用。鈦合金、鋁合金等合金材料密度低、比強度高、斷裂韌性好，但價格昂貴；熱塑復合材料塑性好，通過多材料結合不僅可以實現減重等方面的應用需求，最大化利用材料各自的優點，同時，每種材料都可以達到局部載荷的使用要求，彌補材料本身的不足，從而降低綜合成本、拓展應用領域。

傳統的金屬與非金屬材料之間的連接方法主要有焊接、鉚接、機械結合、涂膠結合等，但這些方法都存在很大缺陷。由于金屬材料與熱塑復合材料熱膨脹系數相差大，通過超聲波輔助焊、感應焊等焊接方法實現的連接接頭應力集中，焊后出現大量微裂紋、接頭性能差。由于非金屬材料主要以共價鍵結合，金屬材料主要以離子鍵和金屬鍵結合，異種材料結合鍵不同導致材料機械性能和物理性能存在較大差異，界面結合困難。利用鉚接工藝實現的金屬材料與非金屬材料之間的連接會對被鉚接材料組合的外觀、功能和動態疲勞強度產生很大制約，鉚接點的動態疲勞強度低，易形成摩擦帶來噪聲和質量缺陷，產生松脫，造成安全問題，且鉚接點密封性差，生產工序繁多，效率低，綜合成本高。機械連接接頭易產生應力集中和殘余應力，由于蠕變、濕氣和應力松弛等易引起緊固件松動，且聚合物材料對缺口敏感，易產生微裂紋，機械連接生產工藝繁瑣，效率低。而涂膠連接僅能滿足一定的使用要求，在抗高溫，耐沖擊、抗老化性能方面存在安全隱患，且凝膠固化時間長，嚴重影響流水作業效率，綜合成本高。

目前，使用激光輻射加熱或激光透射加熱實現金屬與熱塑復合材料之間的連接已能夠達到較高連接強度，通過在金屬連接表面制備微結構、利用激光連接技術在金屬-復合材料連接界面處形成互鎖結構是一種提高接頭連接強度的有效方法。然而，在目前公開的研究中，利用激光連接技術實現金屬-熱塑復合材料之間的連接所針對的熱塑復合材料主要為短碳纖維、短玻璃纖維等纖維增強的樹脂復合材料。對于連續纖維(碳纖維等)增強復合材料，利用激光連接技術連接過程中，復合材料中的連續纖維難以填充進金屬連接表面微凹結構內部形成牢固的互鎖結構。本發明通過對金屬連接表面微結構設計與激光精細加工，利用激光加熱連接技術，在激光加熱連接過程中將金屬表面微錐結構壓入復合材料內部，利用金屬連接表面微錐結構對復合材料的釘扎作用，實現金屬-連續纖維增強復合材料之間的高強度連接。

發明內容

為克服現有激光連接技術的不足，本發明針對金屬材料與連續纖維增強復合材料之間的連接，提出一種基于金屬連接表面微結構設計與加工的激光加熱連接工藝方法，利用金屬表面微錐結構的釘扎作用在接頭連接界面形成一種互鎖結構，實現金屬材料與復合材料之間的高強度連接，該連接工藝簡單、成本低。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于金屬表面微錐結構設計與加工的激光加熱連接金屬與連續纖維增強復合材料的方法，包括以下步驟：