CN112143427B - 一种短切复合碳纤维强化粘接剂及制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空材料连接技术领域，特别涉及一种短切复合碳纤维强化粘接剂及制备方法及应用。本发明提出了一种短切碳纤维强化粘接剂的制备方法，并将其应用于轻质材料的粘接技术中，以增强轻质材料粘结性能。本发明通过火焰法工艺在碳纤维表面原位生长碳纳米管层，进而利用短切复合碳纤维增强粘接剂的强度，从而实现轻质材料同种或异质粘接接头力学性能的改善。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质材料粘接领域具有广泛的应用前景。

Description

一种短切复合碳纤维强化粘接剂及制备方法及应用
技术领域
本发明涉及航空材料连接技术领域，特别涉及一种短切复合碳纤维强化粘接剂及制备方法及应用。
背景技术
轻质材料是航空领域最重要的两种结构材料；常用的轻质材料包括轻质合金和复合材料。轻质材料之间的连接技术是影响飞行器制造装配的关键技术之一。机械紧固连接是目前最主要的轻质材料连接方式；然而栓接和铆接过程均需要对轻质合金和复合材料钻孔，该过程破坏了材料的完整性，降低连接母材本体力学强度；连接区域也存在极大的应力集中，影响连接处长期承载的稳定性。另外，大量螺栓和铆钉的使用导致结构件重量明显增加。胶接技术能够克服机械紧固连接存在的问题，然而，与机械紧固连接和焊接相比，胶接接头的耐久性和疲劳强度较低。胶层本体破裂以及粘接剂与轻质合金表面脱粘是轻质材料异质粘接接头最常见的失效模式。
基于此，通常采用磨损、喷砂等机械打磨、酸/碱/电化学刻蚀以及等离子或激光刻蚀等处理方法改变轻质材料表面的形貌和化学特性，提高粘接剂与轻质材料表面不规则凹坑间的机械互锁作用、物理吸附作用以及化学键接作用，从而强化粘结胶层与轻质材料界面强度。然而，这些处理方法对轻质材料本身性能有一定的损害；另外，处理过程需要特殊处理设备或造成环境污染。在粘接剂中添加短切纤维、碳纳米管、石墨烯等刚性碳材料能够改善胶层的力学强度；然而，由于短切纤维表面光滑，无法为粘接剂提供附着点而造成微观界面裂纹，导致界面粘接性能提升不明显；此外，纳米材料的团聚效益，导致其在粘接剂中难以均匀分散，影响粘接剂的施工工艺性能。
本发明采用一种低成本、低消耗的火焰法在碳纤维表面原位生长碳纳米管层，制备出碳纳米管包裹的复合碳纤维；并将短切复合碳纤维按比例混入粘接剂中，实现胶层与轻质材料间界面的粘结强度以及胶层的本体强度的增强，进而提高轻质材料粘接接头的力学性能。由于燃烧的火焰可同时提供适合碳纳米管生产的富碳环境和所需的热量，且不需要昂贵的设备；因此该方法可以大规模的应用于航空航天各种轻质材料异质粘接结构的力学性能强化。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种短切碳纤维强化粘接剂的制备方法，并将其应用于轻质材料的粘接技术中，以增强轻质材料粘结性能。本发明解决技术问题的主要途径是通过火焰法工艺在碳纤维表面原位生长碳纳米管层，进而利用短切复合碳纤维增强粘接剂与轻质材料间胶层的强度，从而实现轻质材料同种或异质粘接接头力学性能的改善。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质材料粘接领域具有广泛的应用前景。
本发明中提出的短切复合碳纤维强化粘接剂成分包括高聚物主剂、固化剂和短切复合碳纤维；所述短切复合碳纤维均匀分布在高聚物主剂中；所述固化剂与高聚物主剂相搭配，能够对高聚物主剂进行固化；所述短切复合碳纤维为表面有原位生长的碳纳米管层包裹的短切碳纤维，长度在1-5mm。
本发明中的短切复合碳纤维强化粘接剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1)碳纤维束表面预处理以及碳纳米管层的火焰法制备：
将碳纤维束在丙酮中超声清洗10分钟；将配置好的催化剂溶液通过喷枪均匀喷涂在清洗后的碳纤维束表面，烘干；将处理后的碳纤维束放在酒精火焰中，停留一定时间，在碳纤维束表面生长出碳纳米管层，制备成表面包裹有原位生长碳纳米管的碳纤维束。
步骤2)新型粘接剂的制备：
将步骤1)中制备的碳纳米管包裹的复合碳纤维束裁剪为长度在1-5mm之间的短切复合碳纤维；将粘接剂加热以降低其粘度，加热温度30-80℃，加入一定质量分数的短切复合碳纤维，之后加入适量的固化剂并机械混合2-10分钟。得到所述短切复合碳纤维强化粘接剂。
本发明的另一个方面为使用上述短切复合碳纤维强化粘接剂粘接轻质材料的方法，具体步骤为：
将短切复合碳纤维强化粘接剂均匀涂抹在轻质材料粘接件的待粘接表面，然后将短切复合碳纤维强化粘接剂层与另一轻质材料粘接件待粘接表面贴合，施加一定压力，压力值优选0.5-1.5MPa。之后根据高聚物主剂和固化剂的种类，按相应的固化工艺进行固化。
所述的轻质材料包括但不限于轻质合金材料，热塑性树脂基复合材料，热固性树脂基复合材料，工程塑料。
上述方案中，所述的轻质合金材料包括铝合金、钛合金、铜合金中的一种或几种
上述方案中，所述的高聚物主剂包括但不限于环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂中的一种或几种。
所述的催化剂包括但不限于氯化铁溶液、硝酸镍溶液、硝酸钴溶液中的一种或几种的混合，优选为硝酸镍溶液。
所述的催化剂溶液的物质的量为0.5-2mol/L，优选为1mol/L。
所述的压力范围为0.2-1.5MPa，优选0.8MPa。
所述燃烧火焰包括乙醇火焰、甲醇火焰、甲烷火焰、丁烷火焰、庚烷火焰、丙酮火焰、乙炔火焰、乙烯火焰等，优选为乙醇火焰。
所述固化剂包括乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺、二甲胺基丙胺、三甲基六亚甲基二胺、间苯二胺等，优选间苯二胺。
所述的碳纤维束在火焰中停留时间为10-60s，优选为30s。
所述的火焰温度，即碳纳米管层原位生长温度为800-1100℃，优选为800℃。
所述短切复合碳纤维添加进高聚物主剂的质量为高聚物主剂质量的0.2％-2％，优选为0.8％。
所述轻质材料粘接件的材料可以为同种或异种材料。
本发明的一种增强轻质材料粘结性能的方法，其有益效果为：
1)本发明采用火焰法在碳纤维表面原位生长碳纳米管层，并利用制成的短切复合碳纤维制备粘接剂，采用碳纳米管包裹的短切复合碳纤维对粘接剂进行改性，发生断裂时，短切复合碳纤维的拉伸和拔出会消耗大量的能量，从而增加粘接剂的内聚力。此外，碳纳米管还可以增加树脂等高聚物主剂和碳纤维界面层间的粘附力，进一步增强胶接性能。
粘接剂中的短切复合碳纤维因包裹有原位生长的碳纳米管，所以单根短切复合碳纤维表面更容易包裹具有渗透性的高聚物主剂，从而使每根短切复合纤维能够更加均匀的分布在树脂中，而不是大量团聚，因此胶接头胶层的本体强度得到了提高，从而提高轻质材料粘接接头的力学强度。
2)本发明的粘接轻质材料的方法不损坏轻质合金等轻质材料的本体性能，实施过程简单、成本极低、绿色环保、灵活性大、适应性强、容易工业化推广。
3)本发明的方法不仅可以单独使用，也可以与磨损、喷砂、机械打磨、酸/碱蚀刻、电化学刻蚀、等离子刻蚀和激光刻蚀等传统的轻质材料表面处理改性工艺联合使用，由于多种作用的耦合能够获得更优异的改性效果。
附图说明
图1为实施例1中环氧树脂粘接CF/EP复合材料工艺流程图。
图2为实施例1中碳纤维束表面原位生长碳纳米管层的微观形貌。
图3为实施例1中碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP)粘接接头结构示意图。
图4为实施例1中环氧树脂粘接CF/EP复合材料工艺流程的示意图。
附图标记：1-上层CF/EP复合材料；2-短切复合碳纤维强化环氧树脂胶层；3-下层CF/EP复合材料。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成效果易于了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本发明，但不作为对本发明的限制。
实施例1
将碳纤维束用丙酮清洗20min，将配置物质的量浓度为0.8mol/L的氯化铁溶液通过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的碳纤维束表面，将负载催化剂的碳纤维束表面放在甲醇火焰温度为1000℃的位置处，停留30s，制备出碳纳米管层，如图2所示，碳纤维表面原位生长着大量的碳纳米管。将碳纳米管包裹的复合碳纤维束裁剪成长度为1-5mm的短切复合碳纤维，将环氧树脂加热至50℃，配置添加短切复合碳纤维的环氧树脂，短切复合碳纤维的质量为环氧树脂的0.8％；添加环氧树脂质量4％的二甲胺基丙胺机械混合5分钟；将混有固化剂和短切复合碳纤维的环氧树脂均匀涂抹在下层碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP)复合材料待粘接表面，然后与上层CF/EP复合材料搭接，施加1MPa压力，放入真空烘箱中固化，固化工艺为180℃保持2h；200℃保持3h，固化结束后自然冷却到室温后取出，得到CF/EP复合材料单搭接胶接样件。工艺流程图如图1和图4所示，制备的粘接接头结构的示意图如图3所示。与仅经过纯环氧树脂粘接制备的单搭接胶接头相比，本实施例采用短切复合碳纤维强化粘接剂制备的CF/EP复合材料单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高28％。
实施例2
将碳纤维束用丙酮清洗30min，将配置物质的量浓度为1.1mol/L的硝酸镍溶液通过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的碳纤维束表面，将负载催化剂的碳纤维束表面放在乙醇火焰温度为850℃的位置处，停留40s，制备出碳纳米管层。将碳纳米管包裹的复合碳纤维束裁剪成长度为1-5mm的短切复合碳纤维，将环氧树脂加热至80℃，配置添加短切复合碳纤维的环氧树脂，短切复合碳纤维的质量为环氧树脂的0.2％；添加环氧树脂质量5％的二乙烯三胺机械混合10min；将混有固化剂和短切复合碳纤维的环氧树脂均匀涂抹在下层碳纤维增强双马树脂基复合材料(CF/BMI)待粘接表面，然后与上层铝合金板搭接，施加1.5MPa压力，放入真空烘箱中固化，固化工艺为160℃保持3h；180℃保持4h，固化结束后自然冷却到室温后取出，得到CF/BMI复合材料和铝合金板的混合单搭接胶接样件。与仅经过纯环氧树脂粘接制备的单搭接胶接头相比，本实施例采用短切复合碳纤维强化粘接剂制备的单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高45％。
实施例3
将碳纤维束用丙酮清洗10min，将配置物质的量浓度为1mol/L的硝酸钴溶液通过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的碳纤维束表面，将负载催化剂的碳纤维束表面放在甲烷火焰温度为800℃的位置处，停留30s，制备出碳纳米管层。将碳纳米管包裹的复合碳纤维束裁剪成长度为1-5mm的短切复合碳纤维，将环氧树脂加热至50℃，配置添加短切复合碳纤维的环氧树脂，短切复合碳纤维的质量为环氧树脂的0.6％；添加环氧树脂质量0.1％的二乙烯三胺机械混合10min；将混有固化剂和短切复合碳纤维的环氧树脂均匀涂抹在下层钛合金待粘接表面，然后与上层铝合金板搭接，施加0.8MPa压力，放入真空烘箱中固化，固化工艺为160℃保持3h；180℃保持4h，固化结束后自然冷却到室温后取出，得到钛合金和铝合金混合单搭接胶接样件。与仅经过纯环氧树脂粘接制备的单搭接胶接头相比，本实施例采用短切复合碳纤维强化粘接剂制备的单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高了34％。
实施例4
将碳纤维束用丙酮清洗20min，将配置物质的量浓度为0.7mol/L的硝酸镍溶液通过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的碳纤维束表面，将负载催化剂的碳纤维束表面放在丁烷火焰温度为900℃的位置处，停留10s，制备出碳纳米管层。将碳纳米管包裹的复合碳纤维束裁剪成长度为1-5mm的短切复合碳纤维，将环氧树脂加热至40℃，配置添加短切复合碳纤维的环氧树脂，短切复合碳纤维的质量为环氧树脂的0.9％；添加环氧树脂质量5％的三甲基六亚甲基二胺机械混合3min；将混有固化剂和短切复合碳纤维的环氧树脂均匀涂抹在下层钛合金待粘接表面，然后与上层CF/EP复合材料搭接，施加0.5MPa压力，放入真空烘箱中固化，固化工艺为170℃保持4h；200℃保持2h，固化结束后自然冷却到室温后取出，得到钛合金和CF/EP复合材料的混合单搭接胶接样件。与仅经过纯环氧树脂粘接制备的单搭接胶接头相比，本实施例采用短切复合碳纤维强化粘接剂制备的钛合金和CF/EP复合材料的混合单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高22％。

Claims (10)

1.一种短切复合碳纤维强化粘接剂，其特征在于，所述短切复合碳纤维强化粘接剂的成分包括高聚物主剂、短切复合碳纤维和能够与高聚物主剂搭配的固化剂，所述短切复合碳纤维均匀分布在高聚物主剂中；所述短切复合碳纤维为表面有原位生长的碳纳米管层包裹的短切碳纤维，长度在1-5mm。
2.根据权利要求1所述的短切复合碳纤维强化粘接剂，其特征在于，所述高聚物主剂是环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的短切复合碳纤维强化粘接剂，其特征在于，所述短切复合碳纤维的质量为高聚物主剂质量的0.2％-2％。
4.根据权利要求1或2所述的短切复合碳纤维强化粘接剂，其特征在于，所述短切复合碳纤维的质量为高聚物主剂质量的0.8％。
5.权利要求1所述的短切复合碳纤维强化粘接剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将碳纤维束在丙酮中超声清洗10分钟；
S2：将配置好的催化剂溶液通过喷枪均匀喷涂在清洗后的碳纤维束表面，所述催化剂溶液为氯化铁溶液、硝酸镍溶液或硝酸钴溶液中的一种或几种，溶液浓度为0.5-2mol/L；
S3：将处理后的碳纤维束放在酒精火焰中，停留一定时间，在碳纤维束表面生长出碳纳米管层，制备成表面有原位生长的碳纳米管层包裹的复合碳纤维束；
S4：将所述复合碳纤维束裁剪为长度在1-5mm之间的短切复合碳纤维；
S5：将高聚物主剂加热以降低其粘度，加入设定质量分数的短切复合碳纤维，按照高聚物主剂和固化剂的种类，加入适量比例的固化剂机械混合2-10分钟，得到所述短切复合碳纤维强化粘接剂。
6.根据权利要求5所述的短切复合碳纤维强化粘接剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的催化剂溶液为硝酸镍溶液，浓度为1mol/L。
7.根据权利要求5所述的短切复合碳纤维强化粘接剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的火焰温度为800-1100℃，碳纤维束在火焰中停留时间为10-60s。
8.根据权利要求5所述的短切复合碳纤维强化粘接剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的火焰温度为800℃，碳纤维束在火焰中停留时间为30s。
9.使用权利要求1所述的短切复合碳纤维强化粘接剂粘接轻质材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将短切复合碳纤维强化粘接剂均匀涂抹在轻质材料粘接件的待粘接表面，然后将短切复合碳纤维强化粘接剂层与另一轻质材料粘接件待粘接表面贴合，施加压力，按高聚物主剂和固化剂的固化工艺固化。
10.根据权利要求9所述的粘接轻质材料的方法，其特征在于，所述的轻质材料粘接件的材料为同种或异种材料。
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