[發(fā)明專利]具有高焊接強度的熱塑性復合材料含植入層感應(yīng)焊接方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110156272.0
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN113043604B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱姝;周劍鋒;王家鋒;劉翀;錢盈;蘇佳煜;敖文珍;張禮穎
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學
• 主分類號: B29C65/04
• 分類號: B29C65/04;B29C69/02
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發(fā)明涉及一種具有高焊接強度的熱塑性復合材料含植入層感應(yīng)焊接方法，將SPEEK@CNT/CF/熱塑性樹脂復合薄膜作為植入層，對CF增強熱塑性復合材料進行感應(yīng)焊接，得到具有高焊接強度的熱塑性復合材料連接件；所述SPEEK@CNT/CF/熱塑性樹脂復合薄膜的制備方法為：先將SPEEK修飾的CNT與熱塑性樹脂基體共混并壓制成SPEEK@CNT/熱塑性樹脂薄膜，再將SPEEK@CNT/熱塑性樹脂薄膜與表面去漿的CF二維織物通過疊層模壓制備得到SPEEK@CNT/CF/熱塑性樹脂復合薄膜；基于SPEEK@CNT/CF/熱塑性樹脂復合薄膜植入層的熱塑性復合材料連接件的單搭接剪切強度為38～49MPa，經(jīng)過30萬次剪切方向拉伸疲勞試驗后連接件的單搭接剪切強度為30～39MPa。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中的方法制備而成的焊接接頭的單搭接剪切強度較低、抗疲勞性能也較差的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱塑性復合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高焊接強度的熱塑性復合材料含植入層感應(yīng)焊接方法。

背景技術(shù)

近年來，熱塑性樹脂基復合材料發(fā)展速度非常快，其與熱固性材料相比具有顯著的優(yōu)勢，如可回收利用、高溫使用性能好、制備過程無溶劑、抗沖擊韌性高等，使之成為民用航空復合材料低成本化和高性能化的重要方向。與熱固性材料相比，可降低制造成本30％以上。這將使復合材料制造業(yè)發(fā)生革命性的變化。目前，波音、空客等都在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。應(yīng)用于民機結(jié)構(gòu)件制造的材料主要為連續(xù)碳纖維(CF)增強的聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)等熱塑性復合材料。

熱塑性復合材料在成型完成后依舊可以熔融，因此可以采用再次熔融并施壓的方法達到熱塑性零件的連接，即熱塑性復合材料的焊接。相對于熱固性復合材料領(lǐng)域常用的鉚接和膠接技術(shù)，焊接是一項更加經(jīng)濟、快速、可靠的連接技術(shù)，同時又能實現(xiàn)減重目標，因此應(yīng)用前景廣闊。目前，熱塑性復合材料常用的焊接技術(shù)有電阻焊接、超聲焊接、激光焊接和感應(yīng)焊接，這四種焊接技術(shù)原理不盡相同。其中的感應(yīng)焊接技術(shù)由于存在小、快、靈等優(yōu)勢，被認為是熱塑性復合材料最具有發(fā)展前景的焊接方式。其原理是：在待焊件附近提供某一形狀具有交變電場的線圈，交變電場感生交變磁場，若待焊區(qū)域中存在導電回路，則會誘導產(chǎn)生內(nèi)部渦流，通過電流發(fā)熱使待焊接區(qū)域的熱塑性樹脂熔融并連接成整體。

CF增強復合材料感應(yīng)焊接主要有兩大類方法：1)不加植入層而依靠CF自身的導電性發(fā)熱；2)加入感應(yīng)植入導體。

第一類方法中，盡管CF自身可以導電，但由于越靠近線圈的地方磁感應(yīng)強度越大，如果直接對CF增強復合材料進行感應(yīng)焊接會出現(xiàn)一個嚴重的問題：待焊接面尚未熔融時，靠近線圈的表面已經(jīng)過熱燒糊了。包括本發(fā)明人團隊在內(nèi)的研究者們?yōu)榇俗隽舜罅抗ぷ鳎缤ㄟ^風冷、水冷、加導熱板等方法來降低表面溫度，試圖將最高溫度面從表面移往焊接面。然而我們借助有限元計算發(fā)現(xiàn)，上述做法很難剛好將最高溫度面鎖定于焊接面，溫度最高點往往出現(xiàn)在靠近表面的某處。這意味著如果要使復合材料焊接成功，必然有一部分復合材料內(nèi)部樹脂的溫度超過焊接面的溫度，對于加工溫度窗口很窄的PPS、PEEK、PEKK等樹脂，就很容易因過熱而面臨降解、交聯(lián)等風險。盡管不影響接頭強度，但卻破壞了復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與強度，更關(guān)鍵的是從表面往往難以察覺，成為復合材料應(yīng)用的風險。同時，這種方法將浪費很大一部分能耗，降低生產(chǎn)效率。