一种基于碳纳米管薄膜的热塑性复合材料焊接方法

专利名称：一种基于碳纳米管薄膜的热塑性复合材料焊接方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210807474.1

专利申请（专利权）人：中国航发北京航空材料研究院
权利人地址：北京市海淀区北京市81号信箱

专利发明（设计）人：张代军,叶璐,王成博,李军,陈祥宝

专利摘要：本发明是一种基于碳纳米管(CNT)薄膜的热塑性复合材料焊接方法，该方法首先采用真空成型工艺将CNT薄膜和热塑性树脂膜复合成电加热元件，然后制备热塑性复合材料面板和加筋，最后将热塑性复合材料面板、CNT加热元件和加筋组合加压电焊接，最终得到热塑性复合材料加筋壁板构件。本发明的热塑性复合材料加筋壁板构件面板和加筋采用常规热塑性复合材料成型工艺制备，工艺成熟、性能可靠。采用CNT薄膜作为加热元件，可实现均匀稳定发热，明显提高热塑性复合材料加筋壁板构件的焊接性能。真空成型工艺制备CNT/热塑性树脂膜复合电加热元件，预先浸润在CNT薄膜中的树脂提高了CNT薄膜的承压能力，有助于增大焊接压力，提高焊接质量。

主权利要求：
1.一种基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：该方法以CNT/热塑性树脂膜作为加热元件(3)，该CNT/热塑性树脂膜是采用真空成型工艺在CNT薄膜(1)的上、下两面复合热塑性树脂膜(2)，再用导电银胶将铜丝与CNT薄膜(1)的两端粘接起来形成电极，完成加热元件(3)的制作；
采用该加热元件(3)对热塑性复合材料进行焊接的过程是：将单独成型的热塑性复合材料面板(4)、加热元件(3)和热塑性复合材料加筋(5)按顺序自下而上进行组合，对加热元件(3)通电加热并调节电流控制加热温度达到热塑性树脂熔融温度+30～90℃,在热塑性复合材料加筋(5)的上方通过隔热绝缘块(6)施加0.1～1MPa的初始压力，保压时间30～180s，待加热元件(3)上、下两面的热塑性树脂膜(2)完全熔融后，增大压力至2～20MPa，并保持10～30s后停止通电加热，待温度降至热塑性树脂玻璃化温度以下，卸压，清除焊接面外侧多余的加热元件(3)的边缘和挤出的热塑性树脂，获得热塑性复合材料加筋壁板构件；
采用真空成型工艺在CNT薄膜(1)的上、下两面复合热塑性树脂膜(2)的工艺过程是将CNT薄膜(1)和两侧的复合热塑性树脂膜(2)密封于真空袋中，真空度为0.05～0.095MPa，温度为热塑性树脂熔融温度+30～90℃，保温时间为15～40min。
2.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：所述CNT薄膜(1)的厚度为3～10μm，热塑性树脂膜(2)的厚度为50～200μm。
3.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：所述CNT薄膜(1)的两端各长出热塑性树脂膜(2)的边缘3～5cm。
4.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：制备热塑性复合材料面板(4)和热塑性复合材料加筋(5)的热塑性树脂预浸料为聚苯硫醚(PPS)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)碳纤维或玻纤预浸料。
5.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：所述热塑性复合材料面板(4)为平板，所述热塑性复合材料加筋(5)是由平板按要求热压成型的L、T或帽形结构。
6.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：在焊接过程中，被焊接的热塑性复合材料构件的上下面设置有隔热绝缘块(6)。
7.根据权利要求1所述的基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：在焊接过程中，焊接时加热元件(3)的宽度与焊接面等宽，长度比焊接面长，在加热元件(3)两端各长出部分上、下贴覆金属箔或金属板(7)以实现快速散热。 说明书 : 一种基于碳纳米管薄膜的热塑性复合材料焊接方法技术领域[0001] 本发明是一种基于碳纳米管(CNT)薄膜的热塑性复合材料焊接方法，属于纤维增强热塑性复合材料的成型技术领域。背景技术[0002] 相比于热固性复合材料，热塑性复合材料具有更高的韧性和损伤容限、成型周期短、可重复加工，而且预浸料在室温下有近乎无限的存储期，因而热塑性复合材料在航空航天领域具有非常大的潜在应用价值，连续纤维增强热塑性复合材料正得到越来越广泛的关注。[0003] 虽然连续纤维增强热塑性复合材料具有优异的性能，但是热塑性树脂基体熔点高、熔融粘度大，成型时需要高的温度和高的压力。对于一些加筋结构的航空构件，尤其是热塑性复合材料加筋构件，同时实现加筋面板和加筋的加压非常困难，往往采用面板和加筋分别成型然后胶接的工艺制备。但是胶接工艺时间长，且热塑性树脂复合材料用的胶黏剂往往需要二次开发。鉴于热塑性复合材料具有可二次熔融的特点，可通过焊接技术制造热塑性复合材料加筋构件。[0004] 电阻焊接具有设备简单、操作方便、焊接速度快等优点。常用的电阻焊接元件是金属丝网或碳纤维织物。金属丝网与热塑性树脂的界面相容性差、界面粘结强度低，导致复合材料焊接头的承载能力下降。另外，金属丝网和碳纤维织物存在网孔或孔隙，导致加热元件表面温度不均匀，热塑性树脂熔融不同步。对于加工温度窗口很窄的聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等树脂，容易发生局部过热使得树脂降解，进一步降低了界面的粘结强度。发明内容[0005] 为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，该方法采用CNT薄膜作为焊接元件对热塑性复合材料进行焊接，其目的是实现更均匀、稳定地加热整个焊接面，得到界面相容性好、不降低承载能力的热塑性复合材料的焊接接头。[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：[0007] 该种基于CNT薄膜的热塑性复合材料焊接方法，其特征在于：该方法以CNT/热塑性树脂膜作为加热元件3，该CNT/热塑性树脂膜是采用真空成型工艺在CNT薄膜1的上、下两面复合热塑性树脂膜2，再用导电银胶将铜丝与CNT薄膜1的两端粘接起来形成电极，完成加热元件3的制作；[0008] 采用该加热元件3对热塑性复合材料进行焊接的过程是：将单独成型的热塑性复合材料面板4、加热元件3和热塑性复合材料加筋5按顺序自下而上进行组合，对加热元件3通电加热并调节电流控制加热温度达到热塑性树脂熔融温度+30～90℃,在热塑性复合材料加筋5的上方通过隔热绝缘块6施加0.1～1MPa的初始压力，保压时间30～180s，待加热元件3上、下两面的热塑性树脂膜2完全熔融后，增大压力至2～20MPa，并保持10～30s后停止通电加热，待温度降至热塑性树脂玻璃化温度以下，卸压，清除焊接面外侧多余的加热元件3的边缘和挤出的热塑性树脂，获得热塑性复合材料加筋壁板构件；[0009] 在实施时，所述CNT薄膜1的厚度为3～10μm，热塑性树脂膜2的厚度为50～200μm。[0010] 在实施时，所述CNT薄膜1的两端各长出热塑性树脂膜2的边缘3～5cm。[0011] 在实施时，采用真空成型工艺在CNT薄膜1的上、下两面复合热塑性树脂膜2的工艺过程是将CNT薄膜1和两侧的复合热塑性树脂膜2密封于真空袋中，真空度为0.05～0.095MPa，温度为热塑性树脂熔融温度+30～90℃，保温时间为15～40min。[0012] 在实施时，制备热塑性复合材料面板4和热塑性复合材料加筋5的热塑性树脂预浸料为聚苯硫醚(PPS)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)碳纤维或玻纤预浸料。[0013] 在实施时，所述热塑性复合材料面板4为平板，所述热塑性复合材料加筋5是由平板按要求热压成型的L、T或帽形结构。[0014] 在实施时，在焊接过程中，被焊接热塑性复合材料构件上下面设置有隔热绝缘块6。[0015] 在实施时，在焊接过程中，焊接时加热元件3的宽度与焊接面等宽，长度比焊接面长，在加热元件3两端各长出部分上、下贴覆金属箔或金属板7以实现快速散热。[0016] 本发明技术方案在确定采用CNT/热塑性树脂膜作为加热元件3对热塑性复合材料进行焊接的设计思路后，通过研究、试验发现，在焊接过程中，由于熔融的热塑性树脂粘度较大，在较低的焊接压力下难以渗透CNT/热塑性树脂膜，造成低的焊接强度，而过高的焊接压力会损坏CNT/热塑性树脂膜，也不能成功焊接热塑性复合材料。针对此问题，本发明技术方案采用真空袋成型工艺将很薄的CNT薄膜与两层一定厚度的热塑性树脂膜2复合成电阻型的加热元件3，真空袋复合技术可以实现热塑性树脂膜2对CNT薄膜1的预浸润，有助于提高焊接界面性能，且复合过程中熔融的热塑性树脂在真空袋中流动性小，不会使CNT薄膜1断裂、损坏。该种加热元件3中，由于热塑性树脂膜2提高了CNT薄膜1的承压能力，在焊接过程中，提高了使用加热元件3的焊接压力，进而提高焊接件的界面强度。[0017] 本发明技术方案中，用导电银胶将铜丝与CNT薄膜1的两端粘接起来形成电极，这样获得的CNT/热塑性树脂膜复合的加热元件3可保证在焊接过程中稳定可靠，操作方便，有助于提高焊接压力，使熔融树脂更好地浸润CNT薄膜，获得优异的界面性能。[0018] 本发明技术方案中，焊接时加热元件3的宽度与焊接面等宽，长度比焊接面长，在加热元件3两端各长出部分上、下贴覆金属箔或金属板7以实现快速散热。该技术措施的采用是因为加热元件3与空气接触区域温度远高于与加筋接触区域温度，因此需要在加热元件3两端未覆盖热塑性复合材料加筋5焊接面部分的上、下面布置金属箔或金属块7以实现快速散热，并在被焊接的热塑性复合材料构件上下面布置隔热绝缘块6，避免焊接件端部出现过热而焊接区域温度过低的现象。[0019] 本发明技术方案的优点表现在以下方面：[0020] 1、制备方法可靠、成熟。热塑性复合材料加筋壁板构件面板和加筋各自采用常规热塑性复合材料成型工艺制备，工艺成熟、性能可靠。[0021] 2、焊接性能高、稳定。CNT薄膜厚度为微米级，作为加热元件使用不会对热塑性复合材料的界面性能有明显影响，而且可实现均匀稳定发热，焊接性能高。[0022] 3、工艺简单。采用真空成型工艺制备的CNT/热塑性树脂膜复合电加热元件，不仅操作简便，而且热塑性树脂膜提高了CNT薄膜的承压能力，有助于焊接过程中提高焊接压力，使熔融树脂更好地浸润CNT薄膜，获得优异的界面性能。附图说明[0023] 图1为本发明技术方案中加热元件的CNT/热塑性树脂膜的结构示意图[0024] 图2为本发明技术方案中热塑性复合材料加筋结构的焊接示意图具体实施方式[0025] 以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：[0026] 实施例一[0027] 采用本发明方法焊接一种热塑性复合材料平板与T型加筋件的步骤如下：[0028] 步骤一、制备CNT/热塑性树脂膜作为加热元件3[0029] 如图1所示，通过真空袋成型工艺在CNT薄膜1上、下两面复合热塑性树脂膜2制备加热元件3，CNT薄膜1厚度为5μm，热塑性树脂膜2为PEEK膜，PEEK膜厚度为100μm，CNT薄膜1的长度比PEEK膜两端各长3cm，复合工艺为：真空度为0.09MPa，温度为390℃，保温时间为30min，之后用导电银胶将铜丝与CNT薄膜1的两端粘接起来构成电极；[0030] 步骤二、采用热压工艺制备碳纤维增强PEEK的热塑性复合材料面板4和热塑性复合材料加筋5，热塑性复合材料加筋5为T型加筋，长度为15cm，宽度为4cm，热塑性复合材料面板4为平板；[0031] 步骤三、热塑性复合材料加筋结构焊接[0032] 参见附图2所示，将热塑性复合材料面板4、加热元件3和T型热塑性复合材料加筋5自下而上组合，加热元件3的宽度为4cm，长度包含两端的电极为22cm，在热塑性复合材料加筋5的竖直板两侧平板上设置有隔热绝缘块6，加热元件3的宽度与焊接面等宽，长度比焊接面长，在加热元件3两端各长出部分上、下贴覆金属箔或金属板7以实现快速散热，焊接工艺为：加热元件3通电加热，调节电流为8A,在热塑性复合材料加筋5通过隔热绝缘块6施加0.2MPa的初始压力，保压时间60s，待PEEK膜完全熔融后，增大所施加的压力至10MPa，在此压力下维持20s后停止通电加热，待温度降至PEEK玻璃化温度以下，卸压。清除加筋外多余的复合膜及挤出的树脂，获得最终热塑性复合材料加筋壁板构件。

专利地区：北京

专利申请日期：2022-07-08

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115056497B