CN112055434A - 一种碳纤维与金属的连接结构及其连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维与金属的连接结构及其连接方法，连接结构包括互相连接的碳纤维导线和金属导线，碳纤维导线和金属导线的连接处上涂敷有酚醛树脂粘结剂，所述酚醛树脂粘结剂内掺杂有导电颗粒，碳纤维导线和金属导线的连接处外套有绝缘的热缩套管。连接方法包括以下步骤：(1)将碳纤维导线接头处的硅胶外套去除，露出碳纤维丝束，同样，将金属导线接头处的外套也去除，露出金属导线；(2)将金属导线插入碳纤维丝束中，使得碳纤维丝束将金属导线四周包围；(3)将掺杂有导电颗粒的酚醛树脂粘结剂涂抹在碳纤维丝束和金属导线的接头处，将碳纤维丝束和金属导线全部浸湿并等酚醛树脂粘结剂自然风干后，在连接处套上绝缘热缩套管。

Description

一种碳纤维与金属的连接结构及其连接方法

技术领域

本发明设计了一种碳纤维与金属导线的连接结构，该结构是使用掺杂导电颗粒材料的粘结剂来连接碳纤维与金属导线。该方式适用于碳纤维发热线与金属铜丝的连接。

背景技术

碳纤维是一种纤维状碳材料，作为电热体，具有许多宝贵的电学，热学和力学性能。近年来，在许多节能采暖设备的核心发热体上，已经由以前普遍采用的金属材料渐渐升级为碳纤维材料。在碳纤维发热线电地暖实际工程中，碳纤维与金属导线连接处的接触性能，在某种程度上，影响着碳纤维发热线通电供热寿命及供热效果。现有技术采用金属夹连接碳纤维发热线与金属导线。外层金属夹的纵向应力过大导致的纤维断裂是报废电热元件的主要失效形式。

目前，存在多种碳纤维和金属导线的连接方式的专利。专利CN106532398A和专利CN102843792A采用了将稀释的铜浆涂抹在碳纤维丝头上固化，将上浆的碳纤维丝头置于空气中自然固化，采用金属缠绕碳纤维丝法连接加强连接强度，将金属桶状接线端子套装在接头上,随后用卡钳进行压实，在接头上套装热缩管和白蜡管。该方法连接紧密牢固，但接触面积较低小，操作难度高；专利CN104241910A公开了一种使用紧压卡扣和锁紧扣连接碳纤维电缆的接头装置，该方式提高了连接稳固性但结构复杂不利于生产和快速安装；专利CN104158011A是在可注塑成型的塑料原材料中添加炭粉，混配成炭塑合成粉，将所述炭塑合成粉在碳纤维发热线接线端和金属线接线端上注塑成型，形成固定连接碳纤维发热线与金属线的塑性导电接头，该方式安全可靠，接触面积大，但制作过程繁琐，不易实现；专利CN205693910U在金属导线和碳纤维线的交接处通过焊接固定连接，碳纤维线由多根并拢平行排列的碳纤维丝构成，在绝缘管内填充氧化镁粉末，发热电缆内设有碳纤维线。该实用新型安全系数高，但对碳纤维丝损伤大，碳纤维失效率高；专利CN205830058U，CN203721908U，CN203301757U，CN202564574U，CN205436444U等则采用压紧片，卡套或扎紧带等金属导片，采用机械压紧的方式连接碳纤维和金属导线，该连接方式牢固可靠，但接触面积小，发热严重，接头处寿命短。且接触点纵向应力大，已造成纤维断裂，导致连接处失效。

就目前成果来看，很多专利都注重连接接头是否牢固可靠，但是没有涉及减少尖韧端，增大接触面积，降低接触处电阻变化率，减少接头处发热，提高连接接头的寿命，实际操作简便的相关专利。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种碳纤维与金属的连接结构及其连接方法；该结构提高了连接处的接触面积，降低了电阻率。该连接方式结构简单，便于加工，牢固可靠，使用寿命长。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维与金属的连接结构，包括互相连接的碳纤维导线和金属导线，碳纤维导线和金属导线的连接处上涂敷有酚醛树脂粘结剂，所述酚醛树脂粘结剂内掺杂有导电颗粒，碳纤维导线和金属导线的连接处外套有绝缘的热缩套管。

本发明提供的另一技术方案如下：

一种碳纤维与金属的连接方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维导线接头处的硅胶外套去除，露出碳纤维丝束，同样，将金属导线接头处的外套也去除，露出金属导线；

(2)将金属导线插入碳纤维丝束中，使得碳纤维丝束将金属导线四周包围；

(3)将掺杂有导电颗粒的酚醛树脂粘结剂涂抹在碳纤维丝束和金属导线的接头处，将碳纤维丝束和金属导线全部浸湿并等酚醛树脂粘结剂自然风干后，在连接处套上绝缘热缩套管。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明通过分析碳纤维与金属导线的连接方式，明确了增加碳纤维单丝间的搭接数目和碳纤维与金属导线的总接触面积，可使元件的电阻变化率减小，从而减弱碳纤维与金属连接处的氧化程度，提高碳纤维发热线通电的供热寿命与供热质量，降低电热元件的报废率。

2.在酚醛树脂粘结剂中添加适宜浓度的导电颗粒，涂抹在碳纤维与金属导线的连接处，使得碳纤维与金属导线的间接接触面积增加，降低了接触电阻率，提高了导电性能。

3.在连接处外套上绝缘热缩套管，使得连接处更加牢固，可靠，安全。

附图说明

图1是本发明的连接结构示意图。

图2是本发明的连接结构的微观示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

电热元件的电阻稳定性是评价元件质量的重要指标，设一定温升下的电阻变化率用

来表示，

其中式中R₀为碳纤维电热元件的冷态电阻，R为碳纤维电热元件的动态电阻。设碳纤维的单丝长度为L，单丝直径为d，单丝总数为n_cf，碳纤维材料的冷态电阻率为ρ_cf，n_c为碳纤维单丝之间纤维搭接点的数目纤维搭接等效于增加了碳纤维电阻体之间的并联，降低了电阻，碳纤维发热线的电阻可用下式表示

当碳纤维丝和金属导线相接触是，从微观上看接触面是粗糙的，接触面积是碳纤维丝与金属导线横截面之间的接触，电流从各小面积尖峰处通过，接触总电阻等于各接触点电阻的并联值。设接触点圆的面积相等，接触点数为N，

为接触面的等效接触半径，则总接触面积S为

根据霍姆的球面接触理论可知，接触面附加接触电阻为

其中，ρ_cu为铜材料的冷态电阻率。

碳纤维和金属导线连接处的等效电阻R₀可表示为

R₀＝R_J+R_cf (5)

联立式(1)～式(5)，可得电阻变化率的表达式如下

由式(6)可见，对于给定样品元件来说，碳纤维发热线的单丝特性及数目一定，影响电阻变化率的因素主要有：碳纤维单丝间的搭接数目n_c，碳纤维与金属导线的总接触面积S，碳纤维与金属导线工作时的电阻率ρ_Cu'和ρ_cf'。

分析发现，碳纤维单丝间的搭接数目n_c越多，元件的电阻变化率越小；碳纤维与金属导线的总接触面积S越大，元件的电阻变化率越小。

基于此，通过增加碳纤维单丝间的搭接数目和碳纤维与金属导线的总接触面积，使元件的电阻变化率越小的基本原理，提出一种利用掺杂导电颗粒材料的粘结剂连接碳纤维与金属新的连接结构。

酚醛树脂一个重要的应用就是作为粘结剂，它具有即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性的耐高温性。热固性酚醛树脂也是胶粘剂的重要原料，具有耐烧蚀，高残炭，阻燃，少烟，低毒，工艺性好等优良性能，已应用于高温粘结，耐烧蚀材料，电碳材料，复合材料等领域，可应用于本实施例中应用热固性酚醛树脂进行碳纤维与金属导线的粘结。

此外，在酚醛树脂粘结剂中添加适宜浓度的等导电材料，填充金属与碳纤维发热线接触处的孔隙，提高接触面积，提高导电性能。

由此提出了如图1所示的新的连接方式，本碳纤维与金属导线的连接接头包括碳纤维的硅胶外套1，绝缘热缩套管2，掺杂导电颗粒的酚醛树脂粘结剂3，金属导线的外套4，碳纤维丝束5，金属导线6。

如图2所示，为微观角度碳纤维与金属导线横截面接触示意图，其中包括金属导线7，碳纤维单丝8，酚醛树脂中掺杂的适宜浓度导电颗粒9。酚醛树脂中掺杂的导电颗粒9连接了两碳纤维单丝8，增加了碳纤维单丝间的搭接数目n_c，使得元件的电阻变化率减小。酚醛树脂中掺杂的导电颗粒9连接了金属导线7与碳纤维单丝8，增加了碳纤维与金属导线的总接触面积S，可使元件的电阻变化率减小。

该发明根据增加碳纤维单丝间的搭接数目，增加碳纤维与金属导线的总接触面积，可使元件电阻变化率降低的基本原理，设计了一种利用掺杂导电颗粒材料的粘结剂连接碳纤维与金属的连接方式。具体实施过程：

如图1所示，

1)将碳纤维线接头处的硅胶外套1去除，露出碳纤维丝束5，同样，将金属导线接头处的外套4也去除，露出金属导线6。

2)将金属导线6插入碳纤维丝束5中，使得碳纤维丝束把金属导线6四周包围。

3)将掺杂适宜浓度导电颗粒的酚醛树脂粘结剂3涂抹在接头处，将碳纤维丝束5和金属导线6全部浸湿等酚醛树脂粘结剂3自然风干后，在连接处套上绝缘热缩套管2，完成连接。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种碳纤维与金属的连接结构，其特征在于，包括互相连接的碳纤维导线和金属导线，碳纤维导线和金属导线的连接处上涂敷有酚醛树脂粘结剂，所述酚醛树脂粘结剂内掺杂有导电颗粒，碳纤维导线和金属导线的连接处外套有绝缘的热缩套管。

2.一种碳纤维与金属的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将碳纤维导线接头处的硅胶外套去除，露出碳纤维丝束，同样，将金属导线接头处的外套也去除，露出金属导线；

(2)将金属导线插入碳纤维丝束中，使得碳纤维丝束将金属导线四周包围；

(3)将掺杂有导电颗粒的酚醛树脂粘结剂涂抹在碳纤维丝束和金属导线的接头处，将碳纤维丝束和金属导线全部浸湿并等酚醛树脂粘结剂自然风干后，在连接处套上绝缘热缩套管。

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