CN111086224A - 热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用 - Google Patents

热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用。该焊料包括导电网格、热塑性树脂基体、电极组成。制备方法至少包括，将导电网格g1与热塑性树脂基体厚膜热压复合，使熔融的热塑性树脂基体渗入所述导电网格g1中，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2；将热塑性树脂基体薄膜覆盖在被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2的表面，且在两端预留有未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域，获得表面复合了热塑性树脂基体层的导电网格g3；在导电网格g3的两端未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域压上电极，使电极完全覆盖两端没有热塑性树脂基体薄膜的区域。

Description

热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用
技术领域
本发明属于热塑性树脂基复合材料制造技术，特别是涉及一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有高比强、高模量、优异的耐腐蚀性及抗疲劳性等优点，已超越传统金属材料成为新一代飞机用量最大的材料。目前航空工业使用的复合材料绝大多数为热固性树脂基复合材料，但是热塑性树脂基复合材料的应用范围近年来不断扩大，这主要是因为热塑性树脂基复合材料具有下列优势：
(1)高韧性，耐疲劳强度高，冲击损伤阻抗和冲击损伤容限都比热固性复合材料高；
(2)加工成型工艺简单，成型周期短、效率高；
(3)热塑性预浸料有近乎无限的储存期；
(4)材料容易实现回收利用，节约成本并对环境友好。
与热固性复合材料不同，热塑性复合材料的成型过程不涉及固化反应，主要是受热熔融-冷却固结的物理过程，并且可以重复数次。这一特点使得热塑性复合材料可以通过在零件之间引入电阻发热体，通电重新热熔-固结实现电阻焊接。而采用电阻焊接技术完成复合材料件之间的连接装配，具有以下显著优点：
(1)减少紧固件的用量，显著提高复合材料结构的减重效率，从而改善飞行性能，降低飞行成本；
(2)不需要制孔、锪窝，避免了这些机加工手段可能在复合材料件中引入应力集中点的风险；
(3)连接装配效率高，而且便于实现自动化，提高制造效率。
显然，热塑性树脂基复合材料可以采用焊接工艺进一步降低复合材料结构连接装配成本，这是热塑性复合材料应用于民机结构的巨大潜在优势。目前A340、A380机翼前缘，以及Gulfstream 650方向舵和升降舵等部件，都是采用焊接方式完成连接和装配的。而为了进一步提高热塑性复合材料焊接连接装配技术的适用范围，有必要研制一种能够匹配多种材料体系、适应多种结构特征的热塑性复合材料电阻焊接用焊料。
发明内容
(一)本发明的目的
提出一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料、其制备方法及其应用，实现热塑性复合材料的电阻焊接连接装配，替代紧固件连接，提高减重效率和装配效率。
(二)技术方案
第一方面，提供了一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，至少包括：
S110树脂基体浸渍导电网格：将导电网格g1与热塑性树脂基体厚膜热压复合，使熔融的热塑性树脂基体渗入所述导电网格g1中，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2；
S120表面复合树脂基体薄膜：将热塑性树脂基体薄膜覆盖在被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2的表面，且在两端预留有未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域，获得表面复合了热塑性树脂基体层的导电网格g3；
S130压合电极：在导电网格g3的两端未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域压上电极，使电极完全覆盖两端没有热塑性树脂基体薄膜的区域。
进一步地，如上所述的焊接方法中，在步骤S110前，采用化学或物理手段对导电网格g1进行表面清洁处理，提高树脂基体对导电网格的浸润性。
进一步地，如上所述的焊接方法中，在步骤S110中，采用与导电网格g1的厚度相同的一层热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的一侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2。
进一步地，如上所述的焊接方法中，在步骤S110中，采用两层等厚的热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的两侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2，且两层热塑性树脂基体厚膜的总厚度与导电网格g1的厚度相当。
进一步地，如上所述的焊接方法中，在步骤S120中，采用厚度为0.1mm～0.5mm的热塑性树脂基体薄膜，该薄膜的长度短于导电网格g2。
进一步地，如上所述的焊接方法中，所述导电网格g1的材质为金属网格或碳纤维网格。
进一步地，如上所述的焊接方法中，所述热塑性树脂基体材质与待焊接的热塑性复合材料相同，其材质为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)或聚酰胺(PA)。
进一步地，如上所述的焊接方法中，所述电极的材质为铜、铝或石墨烯。
第二方面，提供了一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料，采用采用第一方面的方法制得，该焊料包括导电网格、热塑性树脂基体和电极，所述导电网格的网格内部被热塑性树脂基体浸透充满，在充满热塑性树脂基体的所述导电网格的两端压有预定长度的电极，在两端的所述电极之间，预定厚度的热塑性树脂基体覆盖在所述导电网格的外表面。
第三方面，提供了一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的应用，所述焊料用于待焊接复合材料的结构焊接，所述焊料的热塑性树脂基体与待焊接复合材料相同。
(三)有益效果：
本发明提出的热塑性复合材料电阻焊接用焊料，能够采用与待焊接复合材料相同的热塑性树脂基体，可以获得与待焊接复合材料本体相当的强度，有效克服了热塑性复合材料胶接性能较差的问题，可以适应各类不同结构的焊接需求，为复合材料结构连接提供了极大的灵活性。通过使用电阻焊接技术代替紧固件连接装配，可以有效提升减重效率，消除孔边以及金属件周边的应力集中，提高材料损伤容限。
附图说明
图1是热塑性复合材料电阻焊料制备方法过程示意图。
图2是热塑性复合材料电阻焊料示意图。
1.经过表面处理的导电网格；2.热塑性树脂基体厚膜；3.被基体树脂浸透的导电网格；4.热塑性树脂基体薄膜；5.表面复合了基体树脂层的导电网格；6.电极。
具体实施方式
下面结合附图2和实施例对本发明作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
第一方面，本发明提供了一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，至少包括以下步骤S110～S130：
S110树脂基体浸渍导电网格：将导电网格g1与热塑性树脂基体厚膜热压复合，使熔融的热塑性树脂基体渗入所述导电网格g1中，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2；
S120表面复合树脂基体薄膜：将热塑性树脂基体薄膜覆盖在被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2的表面，且在两端预留有未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域，获得表面复合了热塑性树脂基体层的导电网格g3；
S130压合电极：在导电网格g3的两端未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域压上电极，使电极完全覆盖两端没有热塑性树脂基体薄膜的区域。
作为一种优选实施方式，在步骤S110中，可以采用与导电网格g1的厚度相同的一层热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的一侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2。
作为另一种优选实施方式，在步骤S110中，可以采用两层等厚的热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的两侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2，且两层热塑性树脂基体厚膜的总厚度与导电网格g1的厚度相当。
参见如图1所示，制备方法的具体操作如下：
(1)采用化学或物理手段对导电网格1进行表面处理，提高树脂基体对导电网格的浸润性，提高两者间的结合力。
(2)根据经过表面处理的导电网格1的厚度，制备相应厚度的热塑性树脂基体厚膜2。
(3)将导电网格1与热塑性树脂基体厚膜2热压复合，使熔融的基体树脂渗入导电网格1，得到被基体树脂浸透的导电网格3。
(4)制备厚度为0.1mm～0.5mm的热塑性树脂基体薄膜4；热塑性树脂基体薄膜4的长度要短于被基体树脂浸透的导电网格3的长度。
(5)将被基体树脂浸透的导电网格3与热塑性树脂基体薄膜4热压复合，得到表面复合了基体树脂层的导电网格5。
(6)在表面复合了基体树脂层的导电网格5两端压上电极6；电极6与导电网格5压合的长度应覆盖导电网格5两端未被基体树脂薄膜4覆盖的部分，最后制得如图2所示的焊料。
需要说明的是，本发明中的导电网格的材质可以是金属网(包括但不限于铜网、铝网、钢网、不锈钢网)也可以是碳纤维网格(包括但不限于单向碳纤维丝束或碳纤维平纹、缎纹、斜纹机织物或碳纤维二维、三维编织物)。导电网格可以直接使用，也可以预先采用化学或物理手段进行处理，提高树脂基体对导电网格的渗透能力，改善金属丝或碳纤维丝束与基体树脂的结合性。电极的材质为铜、铝或石墨烯等导电材质。
热塑性树脂基体的成分与待焊接的热塑性复合材料相同，可以是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚酰胺(PA)等。
以下实施例为不同热塑性树脂基体制备焊料的方法：
实施例1：制备聚醚醚酮(PEEK)树脂基复合材料电阻焊接用焊料。
选用400目304不锈钢网作为导电网格，采用磷酸对不锈钢网进行酸洗处理，蒸馏水清洗并自然晾干后备用。
选用两层厚度为0.2mm的PEEK树脂膜与前述经过酸洗处理的不锈钢网在420℃下热压复合，得到被PEEK树脂充分浸透的不锈钢导电网格。
选用两层厚度为0.1mm的PEEK树脂薄膜与前述被PEEK树脂充分浸透的不锈钢导电网格在380℃下热压复合，得到表面复合了PEEK树脂层的不锈钢导电网格。注意表面复合的PEEK树脂薄膜的长度要短于不锈钢导电网格的长度，两端留出10mm～20mm的空白。
在前述表面复合了PEEK树脂层、内部被PEEK树脂浸透的不锈钢导电网格的两端压上0.5mm厚的铜电极。铜电极与导电网格压合的长度应覆盖导电网格两端未被表面PEEK树脂薄膜覆盖的部分。
实施例2：制备聚苯硫醚(PPS)树脂基复合材料电阻焊接用焊料。
选用T800级碳纤维平纹织物作为导电网格，在500℃真空环境中处理15min，去除丝束表面的上浆剂，自然冷却后备用。
选用两层厚度为0.4mm的PPS树脂膜与前述已去除上浆剂的碳纤维织物在350℃下热压复合，得到被PPS树脂充分浸透的碳纤维导电网格。
选用两层厚度为0.1mm的PPS树脂薄膜与前述被PPS树脂充分浸透的碳纤维网格在280℃下热压复合，得到表面复合了PPS树脂层的碳纤维导电网格。注意表面复合的PPS树脂薄膜的长度要短于碳纤维导电网格的长度，两端留出10mm～20mm的空白。
在前述表面复合了PPS树脂层、内部被PPS树脂浸透的T800级碳纤维平纹织物导电网格的两端压上0.5mm厚的铜电极。铜电极与导电网格压合的长度应覆盖导电网格两端未被表面PPS树脂薄膜覆盖的部分。
第二方面，参见图2所示，本发明还提供了由第一方面方法制备的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料，该焊料包括导电网格、热塑性树脂基体和电极，所述导电网格的网格内部被热塑性树脂基体浸透充满(被基体树脂浸透的导电网格3)，在充满热塑性树脂基体的所述导电网格的两端压有预定长度的电极6，在两端的所述电极之间，预定厚度的热塑性树脂基体(热塑性树脂基体薄膜4)覆盖在所述导电网格的外表面。
第三方面，本发明发还提供了上述焊料的应用，所述焊料用于待焊接复合材料的结构焊接，所述焊料的热塑性树脂基体与待焊接复合材料相同，通过选用不同尺寸、材质的导电网格，可以适应各类不同结构的焊接需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，包括：
S110树脂基体浸渍导电网格：将导电网格g1与热塑性树脂基体厚膜热压复合，使熔融的热塑性树脂基体渗入所述导电网格g1中，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2；
S120表面复合树脂基体薄膜：将热塑性树脂基体薄膜覆盖在被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2的表面，且在两端预留有未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域，获得表面复合了热塑性树脂基体层的导电网格g3；
S130压合电极：在导电网格g3的两端未覆盖热塑性树脂基体薄膜的区域压上电极，使电极完全覆盖两端没有热塑性树脂基体薄膜的区域。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，在步骤S110前，采用化学或物理手段对导电网格g1进行表面清洁处理，提高树脂基体对导电网格的浸润性。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，在步骤S110中，采用与导电网格g1的厚度相同的一层热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的一侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，在步骤S110中，采用两层等厚的热塑性树脂基体厚膜，在导电网格g1的两侧进行热压复合，得到被热塑性树脂基体浸透的导电网格g2，且两层热塑性树脂基体厚膜的总厚度与导电网格g1的厚度相当。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，在步骤S120中，采用厚度为0.1mm～0.5mm的热塑性树脂基体薄膜，该薄膜的长度短于导电网格g2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，所述导电网格g1的材质为金属网格或碳纤维网格。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂基体材质与待焊接的热塑性复合材料相同，其材质为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)或聚酰胺(PA)。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料的制备方法，其特征在于，所述电极的材质为铜、铝或石墨烯。
9.一种热塑性复合材料电阻焊接用焊料，采用权利要求1～5任一项所述的方法制得，其特征在于，该焊料包括导电网格、热塑性树脂基体和电极，所述导电网格的网格内部被热塑性树脂基体浸透充满，在充满热塑性树脂基体的所述导电网格的两端压有预定长度的电极，在两端的所述电极之间，预定厚度的热塑性树脂基体覆盖在所述导电网格的外表面。
10.一种如权利要求9所述的热塑性复合材料电阻焊接用焊料的应用，其特征在于，所述焊料用于待焊接复合材料的结构焊接，所述焊料的热塑性树脂基体与待焊接复合材料相同。
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