CN111761828A - 一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，使用丙酮清洗碳纤维增强树脂基复合材料的待粘接部位表面，紫外激光照射使表层碳纤维丝暴露并部分打断，形成待穿插点位，再次使用丙酮超声清洗并干燥；涂胶后铺上增活软化的碳纤维编织布再次涂胶，初步粘接后将胶结件固定；通过超声振动工具头施加与涂胶面平行的超声剪切振动；向粘接部位施加与涂胶面垂直的压力，加热固化。本发明可改善粘接剂、碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维编织布之间的结合强度，提高粘合强度，操作简单，性能稳定可靠，具有广泛的应用前景。

Description

一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺。
背景技术
由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比模量高、比强度高、密度小、耐高温等优良性能，近年来在多个工程领域内得到了广泛应用，但由于结构和工艺的限制，碳纤维复合材料很难实现整体成型，因此碳纤维构建的连接尤为重要，碳纤维材料连接常用的方法有：机械连接、胶连接和混合连接等方式。胶连接借助胶接剂将各部件连接为不可拆卸的整体，具有应力分布均匀、防止电化学腐蚀等优点，同时，胶连接避免了开孔使复合材料受到外力时在孔附近产生应力集中。因此，胶连接比机械连接更广泛地应用于碳纤维先进复合材料的连接设计中，成为实现轻量化连接的关键技术之一。
碳纤维编织布加固胶粘技术能有效提高粘接件的抗拉、抗剪强度，使粘接件具有更优异的机械性能。获得胶接强度稳定可靠的粘接件需要碳纤维编织布与待粘接基体有良好的界面结合。而现有工艺通常是直接在碳纤维编织布表面涂附粘接剂进行粘接，粘接剂与待粘接物、碳纤维编织布之间的界面结合往往不足，结合性能往往较差，且粘接剂难以充分润湿碳纤维编织布，进而造成粘接质量不足，粘接强度分布不均匀的问题。因此本发明提出一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，可实现碳纤维编织布与被粘物表面碳纤维丝交叉互联，提升碳纤维编织布、被粘物与粘接剂的结合程度，以满足碳纤维编织布在胶粘领域的工艺需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，旨在提高超声振动辅助碳纤维增强树脂基复合材料胶接强度和质量。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，包括以下步骤：
1)使用丙酮清洗碳纤维增强树脂基复合材料的待粘接部位表面，紫外激光照射使得待粘接部位表层碳纤维丝暴露并部分打断，形成待穿插点位，再次使用丙酮超声清洗并干燥；
2)待粘接部位涂胶后铺上增活软化的碳纤维编织布再次涂胶，初步粘接后将胶结件固定；
3)通过超声振动工具头向胶结件的粘接部位施加与涂胶面平行的超声剪切振动；
4)向胶结件的粘接部位施加与涂胶面垂直的压力，加热固化。
按上述方案，步骤1中采用平均功率为15W～50W，扫描速度50mm/s～1500mm/s的紫外激光将碳纤维增强树脂基复合材料的表层树脂层烧蚀，暴露并打断部分表层碳纤维丝，使其形成待穿插点位。
按上述方案，步骤2中胶层与碳纤维编织布总厚度在0.7mm～0.8mm之间；所述碳纤维编织布层数为1～3层，层数大于1时碳纤维编织布彼此之间及其与基体之间都需要进行涂胶。
按上述方案，步骤2中增活软化的碳纤维编织布制备方法包括以下步骤：
将碳纤维编织布放入硝酸溶液中浸泡1～2小h，用蒸馏水洗净，再放入丙酮溶液中超声清洗后干燥；丙酮溶液质量分数为65～95wt％，硝酸溶液质量分数为50～60wt％。
按上述方案，步骤2所用粘接剂为双组分环氧胶。
按上述方案，步骤3中超声剪切振动的频率为20～30KHz，振动幅值为48μm～80μm，持续振动10s～15s。
按上述方案，步骤4中向粘接部位施加0.1～1MPa的压力，在65℃～80℃加热固化20min～60min，升温至130℃～150℃固化1h～3h。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
通过紫外激光烧蚀碳纤维增强树脂基复合材料的表面树脂层并打断表层碳纤维丝使其暴露。
硝酸浸泡和丙酮清洗处理碳纤维编织布，可有效软化碳纤维编织布，同时使编织布的碳纤维丝上形成沟槽，有效增加碳纤维丝表面粗糙度，提高其表面活性。
增活软化的碳纤维编织布在粘接剂超声振荡流动作用下产生振动，改变丝束空间排布，丝束与丝束、丝与丝之间产生空隙。同时，粘接剂的粘性剪切使表面被打断的碳纤维丝屈曲并进入胶层，随粘接剂进入振动的碳纤维编织布丝束之间的空隙，与之穿插互联，形成机械互锁结构。而增活软化的碳纤维编织布也获得了更粗糙、活性更强的表面，与粘接剂也有更大的接触面积，在超声剪切振动的作用下获得更好的湿润性，使粘接剂能更好的浸润碳纤维编织布，从而提高粘接强度。
本发明工艺可改善粘接剂、碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维编织布之间的结合强度，提高粘合强度，操作简单，性能稳定可靠，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺流程如下：
碳纤维复合材料表面处理:首先使用丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，再通过紫外激光烧蚀碳被粘物表面树脂层，暴露并打断表层碳纤维丝，使其形成待穿插点位，将激光处理后的被粘物放入装有丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗15～30min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入硝酸溶液中浸泡1～2小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理15～30min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上碳纤维编织布，进行涂胶处理，最后放上另一块被粘物再次涂胶，合上上模进行固定。碳纤维编织布层数为1～3层。若铺多层碳纤维编织布，则每层碳纤维编织布与碳纤维编织布之间都需要进行涂胶处理。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向上模中被粘接物侧面施加一定频率和振幅的超声剪切振动10～15s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加一定的压力，开启加热系统一段时间进行预加热，将粘接样件再放入烘箱中烘烤一段时间加热固化。
实施例1：
碳纤维复合材料表面处理:使用65％的丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，使用平均功率15W，扫描速度1500mm/s的紫外激光烧蚀被粘物表面树脂层，暴露并打断被粘物表层碳纤维丝，将激光处理后的被粘物放入装有65％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理15min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入质量分数为50％的硝酸溶液中浸泡1小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有65％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理15min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上1层碳纤维编织布，再进行涂胶处理，使胶层与碳纤维编织布总厚度为0.7mm，最后放上另一块被粘物，合上上模进行固定。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向上模被粘物侧面施加频率为20KHz，振动幅值为80μm超声剪切振动10s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加0.1MPa的压力，开启加热系统进行预加热，在65℃的温度下加热60min，再将粘接样件再放入150℃烘箱中加热固化1h。最后将粘接样件取出，自然降至室温即可。
根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为20.68MPa。
实施例2：
碳纤维复合材料表面处理:使用80％的丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，使用平均功率30W，扫描速度800mm/s的紫外激光烧蚀被粘物表面树脂层，暴露并打断被粘物表层碳纤维丝，将激光处理后的被粘物放入装有80％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理20min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入质量分数为55％的硝酸溶液中浸泡1小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有80％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理15min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上1层碳纤维编织布，再进行涂胶处理，如此循环，总共铺3层碳纤维编织布。使胶层与碳纤维编织布总厚度为0.76mm，最后放上另一块被粘物，合上上模进行固定。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向模具中上模被粘物侧面施加频率为20KHz，振动幅值为48μm超声剪切振动15s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加0.5MPa的压力，开启加热系统进行预加热，在65℃的温度下加热40min，再将粘接样件再放入150℃烘箱中加热固化3h。最后将粘接样件取出，自然降至室温即可。
根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为24.32MPa。
实施例3：
碳纤维复合材料表面处理:使用95％的丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，使用平均功率50W，扫描速度50mm/s的紫外激光烧蚀被粘物表面树脂层，暴露并打断被粘物表层碳纤维丝，将激光处理后的被粘物放入装有95％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理30min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入质量分数为55％的硝酸溶液中浸泡1.5小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有95％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理18min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上碳纤维编织布，再进行涂胶处理，如此循环，总共铺2层碳纤维编织布，使胶层与碳纤维编织布总厚度为0.8mm，最后放上另一块被粘物，合上上模进行固定。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向模具中上模被粘物侧面施加频率为25KHz，振动幅值为60μm超声剪切振动12s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加0.8MPa的压力，开启加热系统进行预加热，在80℃的温度下加热20min，再将粘接样件再放入130℃烘箱中加热固化2h。最后将粘接样件取出，自然降至室温即可。
根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为18.57MPa。
实施例4：
碳纤维复合材料表面处理:使用75％的丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，使用平均功率40W，扫描速度300mm/s的紫外激光烧蚀被粘物表面树脂层，暴露并打断被粘物表层碳纤维丝，将激光处理后的被粘物放入装有75％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理25min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入质量分数为60％的硝酸溶液中浸泡1小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有75％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理25min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上碳纤维编织布，再进行涂胶处理，如此循环，总共铺2层碳纤维编织布，使胶层与碳纤维编织布总厚度为0.76mm，最后放上另一块被粘物，合上上模进行固定。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向模具中上模被粘物侧面施加频率为25KHz，振动幅值为80μm超声剪切振动10s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加1MPa的压力，开启加热系统进行预加热，在70℃的温度下加热40min，再将粘接样件再放入140℃烘箱中加热固化2h。最后将粘接样件取出，自然降至室温即可。
根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为19.66MPa。
实施例5：
碳纤维复合材料表面处理:使用90％的丙酮将碳纤维增强树脂基复合材料表面进行清洁处理，使用平均功率15W，扫描速度500mm/s的紫外激光烧蚀被粘物表面树脂层，暴露并打断被粘物表层碳纤维丝，将激光处理后的被粘物放入装有90％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理30min并干燥。
碳纤维编织布增活软化处理:将碳纤维编织布放入质量分数为60％的硝酸溶液中浸泡2小时，浸泡结束后取出碳纤维编织布，用蒸馏水洗净，再放入装有90％丙酮溶液的超声清洗机内进行超声清洗处理30min并干燥。
将被粘物放入模具下模中固定，使用胶枪在待粘接表面上均匀涂胶，再铺上碳纤维编织布，再进行涂胶处理，使胶层与碳纤维编织布总厚度为0.7mm，最后放上另一块被粘物，合上上模进行固定。
超声诱导纤维丝穿插互联处理:向模具中上模被粘物侧面施加频率为30KHz，振动幅值为48μm超声剪切振动10s。
加压加热固化处理:向粘接表面区域施加0.6MPa的压力，开启加热系统进行预加热，在80℃的温度下加热20min，再将粘接样件再放入140℃烘箱中加热固化2.5h。最后将粘接样件取出，自然降至室温即可。
根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为22.50MPa。
根据上述实施例结果可知，实施例2的粘接试样剪切强度最大，为24.32MPa，以下结合针对实施例2的对比例，进一步说明本工艺方法对粘接强度的促进作用。
对比例1：
相对比于实施例2，对比例1中未对碳纤维增强树脂基复合材料表面进行紫外激光处理，其余与实施例2完全一致，根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为16.22MPa。对被粘物表面进行紫外激光处理，去除表面树脂层并打断表层部分碳纤维丝使其形成待穿插点位使粘接样件剪切强度提高49.94％。
对比例2：
相对比于实施例2，对比例2中未对碳纤维编织布进行增活软化处理，其余与实施例2完全一致，根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为18.01MPa。对碳纤维编织布进行增活软化处理使粘接样件剪切强度提高35.04％。
对比例3：
相对比于实施例2，对比例3中未对粘接样件进行超声振动诱导纤维丝穿插互联处理，其余与实施例2完全一致，根据ASTM D5868-01，对单搭接试样进行拉伸实验，得到试样剪切强度为16.67MPa。对粘接样件进行超声诱导纤维丝穿插互联处理使粘接样件剪切强度提高45.89％。
由对比例1、2、3可看出，本发明的一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺能有效提高碳纤维编织布和被粘物、胶粘剂基体之间的结合强度，提高粘合强度。
以上所述实例仅为本发明的一种实施方式，在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干改进和优化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)使用丙酮清洗碳纤维增强树脂基复合材料的待粘接部位表面，紫外激光照射使得待粘接部位表层碳纤维丝暴露并部分打断，形成待穿插点位，再次使用丙酮超声清洗并干燥；
2)待粘接部位涂胶后铺上增活软化的碳纤维编织布再次涂胶，初步粘接后将胶结件固定；
3)通过超声振动工具头向胶结件的粘接部位施加与涂胶面平行的超声剪切振动；
4)向胶结件的粘接部位施加与涂胶面垂直的压力，加热固化。
2.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤1中采用平均功率为15W～50W，扫描速度50mm/s～1500mm/s的紫外激光将碳纤维增强树脂基复合材料的表层树脂层烧蚀，暴露并打断部分表层碳纤维丝，使其形成待穿插点位。
3.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤2中胶层与碳纤维编织布总厚度在0.7mm～0.8mm之间；所述碳纤维编织布层数为1～3层，层数大于1时碳纤维编织布彼此之间及其与基体之间都需要进行涂胶。
4.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤2中增活软化的碳纤维编织布制备方法包括以下步骤：
将碳纤维编织布放入硝酸溶液中浸泡1～2小h，用蒸馏水洗净，再放入丙酮溶液中超声清洗后干燥；丙酮溶液质量分数为65～95wt％，硝酸溶液质量分数为50～60wt％。
5.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤2所用粘接剂为双组分环氧胶。
6.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤3中超声剪切振动的频率为20～30KHz，振动幅值为48μm～80μm，持续振动10s～15s。
7.如权利要求1所述超声强化碳纤维增强树脂基复合材料粘接工艺，其特征在于步骤4中向粘接部位施加0.1～1MPa的压力，在65℃～80℃加热固化20min～60min，升温至130℃～150℃固化1h～3h。
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