CN110202859A - 一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法。该接头包括：第一碳纤维增强树脂层压板、第二碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布、激光加工的沟槽及热塑性树脂粘接层。该方法包括：通过平行激光扫描方式，去除碳纤维增强树脂层压板的表层树脂，从而实现里层碳纤维布裸露；在裸露的碳纤维布上进行激光沟槽刻蚀；将激光加工后的层压板和热塑性树脂薄膜堆叠；将堆叠层放入模具中进行热压粘接获得搭接接头。本发明提供的方法，能够增加粘接面积和提供锚定效应来强化粘接效果。采用热塑性树脂薄膜作为粘接层，通过热压的方式进行粘接连接，相比传统的环氧树脂胶水大幅降低了使用成本，改善了工作环境。

Description

一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料应用领域，具体涉及一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法。
背景技术
目前，连接技术在复合材料的实际使用中起着举足轻重的作用。传统的螺钉螺栓、铆钉等机械连接方式因其打孔时的破坏、应力集中和违背轻量化设计等缺点而被粘接连接的方式渐渐替代。即便如此，传统的粘接技术的力学性能总是令人不太满意。在一些主要的承重应用中，出于安全的考虑总是将粘接技术配合机械连接一起使用。然而，这种混合结构依然显得较为累赘。
因此，如何提高粘接接头的力学性能成为了粘结连接的可靠性设计中最为重要的环节。通常，碳纤维层压板粘结接头的性能主要取决于粘接剂的特性、接头的几何形状、粘接的剂厚度、采用的工艺以及表面加工。近年来，激光处理渐渐成为一种理想的加工方法。它具有快速可控的特点，兼具改变物体表面化学能和物理形貌的功能，适合大规模应用，非常契合于碳纤维层压板表面处理。因此，寻求合理激光加工参数制备力学性能优异的粘接接头显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法。
本发明的目的在于寻求一种新的激光加工工艺来提高碳纤维增强树脂层压板粘接接头的力学性能。在传统激光去除表面树脂的基础上更进一步，在裸露后的碳纤维布上进行沟槽加工，以实现粘接面积的进一步提高，并引入一种锚定效应，从而实现粘接接头性能的优化。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头，包括：第一碳纤维增强树脂层压板、第二碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布、激光加工的沟槽及热塑性树脂粘接层；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述激光加工的沟槽为裸露的碳纤维布经激光刻蚀形成的；所述热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接。
进一步地，所述热塑性树脂粘接层的材质为聚碳酸酯薄膜；所述热塑性树脂粘接层的厚度为0.2-0.3mm。
进一步地，所述激光加工的沟槽的样式包括平行沟槽和十字沟槽。
本发明提供的一种制备上述的碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，包括如下步骤：
(1)通过平行激光扫描方式，对碳纤维增强树脂层压板进行加激光加工，以去除碳纤维增强树脂层压板表面的树脂层，使里层的碳纤维布裸露；
(2)在裸露的碳纤维布上进行激光沟槽刻蚀，得到激光加工的沟槽；
(3)将激光加工后的层压板和热塑性树脂薄膜堆叠，使热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接，得到堆叠层；
(4)将堆叠层放入模具中进行热压粘接，冷却得到所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头。
优选地，步骤(1)所述平行激光扫描的方式包括往复扫描。
进一步优选地，步骤(1)所述平行激光扫描的光斑中心距和扫描中心距一致，激光脉冲光斑直径为25-75μm，激光脉冲光斑中心距与激光脉冲光斑直径的长度比为0.25-1：1，激光输出功率为1-15W。
优选地，步骤(2)所述激光沟槽刻蚀，沟槽的扫描中心距为100-200μm，沟槽的加工深度为40-120μm，扫描角度为0-90°，沟槽样式选择平行沟槽和十字沟槽。优选地，所述十字沟槽需要保证两个沟槽方向中心距一致。
优选地，步骤(2)所述激光沟槽刻蚀的光斑中心距与光斑直径的长度比为0.25-1：1，激光输出功率为5-15W；所述激光沟槽刻蚀的加工次数为2-10次。
优选地，步骤(4)所述热压成型的温度为200-220℃，时间为2.5-3.5min，压力为3-6MPa，所述冷却的时间为6-10min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的制备方法，在传统树脂去除的层压板上，首次在裸露的碳纤维布上进行激光沟槽加工以进一步增加粘接面积以及提供一种锚定效应来强化粘接效果；
(2)本发明提供的制备方法，沟槽加工会产生热影响区，从而使沟槽周围部分树脂蒸发裸露碳纤维和粘接层形成良好的结合；
(3)本发明提供的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，沟槽搭接样品大幅超过了无沟槽搭接样品的剪切强度；
(4)本发明提供的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，采用热塑性树脂薄膜作为粘接层，通过热压的方式进行粘接连接，相比传统的环氧树脂胶水大幅降低了使用成本，改善了工作环境。
附图说明
图1为本发明激光加工工艺及接头制备示意图；
其中，1为第一碳纤维增强树脂层压板，2为裸露的碳纤维布，3为激光加工的沟槽，4为热塑性树脂粘接层，5为第二碳纤维增强树脂层压板。
图2为本发明实施例1中0°平行沟槽SEM图。
图3为本发明实施例2中±45°十字沟槽SEM图。
图4为本发明实施例3中0/90°十字沟槽SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
对比例1
对比例1提供的碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头，包括：碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布及热塑性树脂粘接层；所述碳纤维增强树脂层压板包括第一碳纤维增强树脂层压板及第二碳纤维增强树脂层压板；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布、第二碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布连接。
一种碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为25μm，激光输出功率为4W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将厚度为0.20mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(3)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为200℃，热压时间为4min，热压压力为6MPa，冷却时间为6min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，形成所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头。
使用所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的层压板(无沟槽样品)的剪切强度为13.04MPa。
实施例1
实施例1提供的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，如图1所示，包括：第一碳纤维增强树脂层压板1、第二碳纤维增强树脂层压板5、裸露的碳纤维布2、激光加工的沟槽3及热塑性树脂粘接层4；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布2为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述激光加工的沟槽3为裸露的碳纤维布2经激光刻蚀形成的；所述热塑性树脂粘接层4分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接。
一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为25μm，激光输出功率为4W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将表面树脂去除后的碳纤维增强树脂层压板进行激光沟槽刻蚀；设置光斑中心距为12.5μm，扫描间距为200μm，重复加工次数为4次，激光输出功率为5W，扫描角度为0°的平行沟槽，加工的沟槽形貌如图2所示；
(3)将厚度为0.20mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(4)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为200℃，热压时间为4min，热压压力为6MPa，冷却时间为6min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，形成所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头。
在本实施例中，激光加工的沟槽形貌清晰，沟槽连续，表层无明显纤维块脱落的现象。加工方便，成型效率高，使用所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头的层压板力学性能优良：剪切强度为15MPa，相比于对比例1提供的无沟槽粘样本提高了15％。粘接效果良好无分层现象，剪切失效面可明显见到碳纤维块从层压板脱落至粘接层表面，表明了良好的结合效果，有利于实际碳纤维增强树脂层压板的粘接使用。
对比例2
对比例2提供的碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头，包括：碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布及热塑性树脂粘接层；所述碳纤维增强树脂层压板包括第一碳纤维增强树脂层压板及第二碳纤维增强树脂层压板；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布、第二碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布连接。
一种碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为50μm，激光输出功率为8W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将厚度为0.3mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(3)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为200℃，热压时间为2.5min，热压压力为3MPa，冷却时间为10min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，形成所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头。
使用所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的层压板(无沟槽样品)的剪切强度为13.02MPa。
实施例2
实施例2提供的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，可参照图1所示，包括：第一碳纤维增强树脂层压板1、第二碳纤维增强树脂层压板5、裸露的碳纤维布2、激光加工的沟槽3及热塑性树脂粘接层4；所述碳纤维增强树脂层压板包括第一碳纤维增强树脂层压板及第二碳纤维增强树脂层压板；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布2为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述激光加工的沟槽3为裸露的碳纤维布2经激光刻蚀形成的；所述热塑性树脂粘接层4分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接。
一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为50μm，激光输出功率为8W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将表面树脂去除后的碳纤维增强树脂层压板进行激光沟槽刻蚀；设置光斑中心距为35.3μm，扫描间距为200μm，重复加工次数为8次，激光输出功率为12W，扫描角度为±45°的十字沟槽，加工的沟槽形貌如图3所示；
(3)将厚度为0.3mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(4)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为220℃，热压时间为2.5min，热压压力为3MPa，冷却时间为10min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，形成所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头。
在本实施例中，激光加工的沟槽形貌清晰，沟槽连续，表层无明显纤维块脱落的现象。加工方便，成型效率高，使用所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头的层压板力学性能优良：剪切强度为15.5MPa，相比对比例2提供的无沟槽样品提高了19％。粘接效果良好无分层现象，剪切失效面可明显见到碳纤维块从层压板脱落至粘接层表面，表明了良好的结合效果，有利于实际碳纤维增强树脂层压板的粘接使用。
对比例3
对比例3提供的碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头，包括：碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布及热塑性树脂粘接层；所述碳纤维增强树脂层压板包括第一碳纤维增强树脂层压板及第二碳纤维增强树脂层压板；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布、第二碳纤维增强树脂层压板的裸露的碳纤维布连接。
一种碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为35.3μm，激光输出功率为6W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将厚度为0.25mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(3)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为210℃，热压时间为3min，热压压力为6MPa，冷却时间为8min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，形成所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头。
使用所述碳纤维增强树脂层压板的无沟槽粘接接头的层压板(无沟槽样品)的剪切强度为13.04MPa。
实施例3
实施例3提供的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，可参照图1所示，包括：第一碳纤维增强树脂层压板1、第二碳纤维增强树脂层压板5、裸露的碳纤维布2、激光加工的沟槽3及热塑性树脂粘接层4；所述碳纤维增强树脂层压板包括第一碳纤维增强树脂层压板及第二碳纤维增强树脂层压板；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布2为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述激光加工的沟槽3为裸露的碳纤维布2经激光刻蚀形成的；所述热塑性树脂粘接层4分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接。
一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尺寸为50×12.5×1mm3的碳纤维增强树脂层压板通过往复型激光扫描方式进行表层树脂去除；设置光斑直径为50μm，设置光斑和扫描中心距为35.3μm，激光输出功率为6W，加工区域面积为12.5×12.5mm2；
(2)将表面树脂去除后的碳纤维增强树脂层压板进行激光沟槽刻蚀；设置光斑中心距为25μm，扫描间距为150μm，重复加工次数为6次，激光输出功率为10W，扫描角度为0/90°十字沟槽，加工的沟槽形貌如图4所示；
(3)将厚度为0.25mm的PC薄膜按照搭接区域面积，剪裁成12.5×12.5mm2的大小置于两块层压板的激光加工区域之间，形成堆叠物，并用耐热胶带进行预固定；
(4)将堆叠物放入特定模具进行热压，热压温度为210℃，热压时间为3min，热压压力为6MPa，冷却时间为8min，单层复合材料表面树脂层互相粘接，得到所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头。
在本实施例中，激光加工的沟槽形貌清晰，沟槽连续，表层无明显纤维块脱落的现象。加工方便，成型效率高，使用所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头的层压板力学性能优良：剪切强度为18MPa，相比对比例3提供的无沟槽样品提高了38％。粘接效果良好无分层现象，剪切失效面可明显见到碳纤维块从层压板脱落至粘接层表面，表明了良好的结合效果，有利于实际碳纤维增强树脂层压板的粘接使用。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头，其特征在于，包括：第一碳纤维增强树脂层压板、第二碳纤维增强树脂层压板、裸露的碳纤维布、激光加工的沟槽及热塑性树脂粘接层；所述第一碳纤维增强树脂层压板与第二碳纤维增强树脂层压板通过热塑性树脂粘接层连接；所述裸露的碳纤维布为碳纤维增强树脂层压板经激光加工去除表面树脂层裸露出来的；所述激光加工的沟槽为裸露的碳纤维布经激光刻蚀形成的；所述热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，其特征在于，所述热塑性树脂粘接层的材质为聚碳酸酯薄膜；所述热塑性树脂粘接层的厚度为0.2-0.3mm。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂层压板粘接接头，其特征在于，所述激光加工的沟槽的样式包括平行沟槽和十字沟槽。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）通过平行激光扫描方式，对碳纤维增强树脂层压板进行加激光加工，以去除碳纤维增强树脂层压板表面的树脂层，使里层的碳纤维布裸露；
（2）在裸露的碳纤维布上进行激光沟槽刻蚀，得到激光加工的沟槽；
（3）将激光加工后的层压板和热塑性树脂薄膜堆叠，使热塑性树脂粘接层分别与第一碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽、第二碳纤维增强树脂层压板的激光加工的沟槽连接，得到堆叠层；
（4）将堆叠层放入模具中进行热压粘接，冷却得到所述碳纤维增强树脂层压板粘接接头。
5.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（1）所述平行激光扫描的方式包括往复扫描。
6.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（1）所述平行激光扫描的光斑中心距和扫描中心距一致，激光脉冲光斑直径为25-75 μm，激光脉冲光斑中心距与激光脉冲光斑直径的长度比为0.25-1：1，激光输出功率为1-15 W。
7.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（2）所述激光沟槽刻蚀，沟槽的扫描中心距为100-200μm，沟槽的加工深度为40-120μm。
8.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（2）所述激光沟槽刻蚀的扫描角度为0-90°。
9.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（2）所述激光沟槽刻蚀的光斑中心距与光斑直径的长度比为0.25-1：1，激光输出功率为5-15W；所述激光沟槽刻蚀的加工次数为2-10次。
10.根据权利要求4所述的制备碳纤维增强树脂层压板粘接接头的方法，其特征在于，步骤（4）所述热压粘接的温度为200-220℃，时间为2.5-3.5min，热压粘接的压力为3-6MPa，所述冷却的时间为6-10min。
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