CN113043607B - 基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法 - Google Patents

基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，将改性铜网作为碳纤维增强热塑性复合材料焊接植入层，进行感应焊接得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件；所述改性铜网是将铜网依次经过浅表层氧化处理和耐高温上浆剂(聚酰胺酸的N‑甲基吡咯烷酮溶液)表面修饰处理得到；所述经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层10～100nm厚的氧化层；基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件的单搭接剪切强度(LSS)为28～38MPa。本发明的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其中加入的铜网经界面改性后，可以提高铜网与热塑性基体之间的界面相互作用，从而提高感应焊接接头的LSS。

Description

基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法
技术领域
本发明属于热塑性复合材料技术领域，涉及一种基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法。
背景技术
近年来，热塑性树脂基复合材料发展速度非常快，其与热固性材料相比具有显著的优势，如可回收利用、高温使用性能好、制备过程无溶剂、抗冲击韧性高等，使之成为民用航空复合材料低成本化和高性能化的重要方向。与热固性材料相比，可降低制造成本30％以上。这将使复合材料制造业发生革命性的变化。目前，波音、空客等都在大力发展相关技术。应用于民机结构件制造的材料主要为连续碳纤维增强的聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等热塑性复合材料。
热塑性复合材料在成型完成后依旧可以熔融，因此可以采用再次熔融并施压的方法达到热塑性零件的连接，即热塑性复合材料的焊接。相对于热固性复合材料领域常用的铆接和胶接技术，焊接是一项更加经济、快速、可靠的连接技术，同时又能实现减重目标，因此应用前景广阔。目前，热塑性复合材料常用的焊接技术有电阻焊接、超声焊接、激光焊接和感应焊接，这四种焊接技术原理不尽相同。其中的感应焊接技术由于存在小、快、灵等独到优势，特别适合于热塑性复合材料结构件的焊接。其原理是：在待焊件附近提供某一形状具有交变电场的线圈，交变电场感生交变磁场，若待焊区域中存在导电回路，则会诱导产生内部涡流，通过电流发热使待焊接区域的热塑性树脂熔融并连接成整体。
尽管碳纤维自身可以导电，但是如果直接对碳纤维复合材料进行感应焊接，由于越靠近线圈的地方磁感应强度越大，会导致出现一个严重的问题：待焊接面尚未熔融时，靠近线圈的表面往往已经过热烧焦，如图1所示。解决方法之一是在待焊接区域植入一层感应导体，其作用是对感应线圈更快响应和发热，从而将最高温度面锁定到焊接面。最常用的植入导体是铜网，比如美国专利US5508496和US5500511中就分别披露过采用边缘折叠和梯度网孔的铜网作为植入层的感应焊接方案。但由于铜网表面难以像碳纤维那样进行含氧官能团修饰或表面接枝，包括上述方案在内的传统植入层设计均未能解决树脂与金属间相容性差的经典难题，以致树脂在铜网表面浸润不良及界面强度低，进而导致焊接接头的力学强度低，其单搭接剪切强度(LSS)通常低于25MPa。有文献(Novel Heating Elements forInduction Welding of Carbon Fiber/Polyphenylene Sulfide ThermoplasticComposites.Advanced Engineering Materials 2017:1700294)公开了一种碳纳米纤维表面镀银后与树脂复合作为植入层的感应焊接方案，对CF增强PPS复合材料焊接件获得了较高的LSS，但是连作者本人都承认在纳米纤维表面进行电镀的工艺实过于复杂和难以控制(Conductive films of silver nanoparticles as novel susceptors for inductionwelding of thermoplastic composites.Nanotechnology 2018,29(12):125701)，而且成本高昂，经济上不可行。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，将改性铜网作为碳纤维(CF)增强热塑性复合材料焊接植入层，进行感应焊接得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件；
所述热塑性复合材料的基体可以为聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)或其他热塑性基体；
所述改性铜网是将铜网依次经过浅表层氧化处理和耐高温上浆剂表面修饰处理得到；
所述经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层10～100nm厚的氧化层；
所述耐高温上浆剂表面修饰处理是指将浅表层氧化处理后的铜网浸没于耐高温上浆剂中，取出后进行200℃以上的热处理；所述耐高温上浆剂为聚酰胺酸(PAA)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液；
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件的LSS为28～38MPa。
作为优选的技术方案：
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，所述浅表层氧化处理是指将铜网浸渍于过量过氧化氢水溶液中，过氧化氢水溶液的浓度为30wt％，水浴温度为70～90℃。若水浴温度低于70℃，则氧化效率过低；若水浴温度高于90℃，则氧化反应剧烈，可控性低。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，“过量”优选为过氧化氢水溶液中溶质质量超过铜网质量1％，耐高温上浆剂中PAA的质量分数为0.3～0.5wt％。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，铜网在过氧化氢水溶液中的浸渍时间为25～45min；浅表层氧化处理后的铜网在耐高温上浆剂中浸泡的时间为5～120min。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，所述取出后进行200℃以上的热处理是指取出浸渍耐高温上浆剂后的铜网，将其干燥至含水量小于0.5wt％，然后进行两段热处理：先在180～220℃下持续加热5～30min，再以1～50℃/min的速率升温至260～310℃并保温10～60min。
PAA在两段热处理下会转变为聚酰亚胺(PI)，PI与PPS、PEEK或PEKK基体的化学结构相似，表面能之差的绝对值很小，两者的浸润性良好。如果干燥后的含水量过大，会在复合材料成型过程中因水蒸气挥发而形成孔隙，影响复合材料力学性能。两段热处理中，如果第一段热处理温度过低或者过高、加热时间过短、第一段到第二段之间的升温速率过快或第二段热处理温度过高，则会引起PI层的收缩率过高、内应力过大；如果两段加热时间过长，则浪费能耗、降低效率；如果第二段热处理温度过低或保温时间过低，则使PAA向PI的转化不完全，上浆剂的热稳定性下降，复合材料高温下的力学性能变差；如果第二段热处理温度过高，则会引起PI层的收缩率过高、内应力过大。
PAA转变为PI的反应方程式如下：
Figure BDA0002934811310000031
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，铜网在浅表层氧化处理前还依次浸泡于丙酮和浓盐酸中清洗并晾干，丙酮用于去除铜网表面的杂质，浓盐酸去除铜网表面的氧化物，清洗过程具体为：铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝1:1～5:1)中清洗5～20s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，铜网在浅表层氧化处理后还依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分，之后再进行耐高温上浆剂表面修饰处理，此工序的目的是去除铜网表面残留的过氧化氢水溶液。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，感应焊接的具体过程为：先依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为10～50kHz，电源输出功率为10～35kW，感应加热时间为0.1～5s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.082～0.1MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接(在该频率范围以及输出功率范围中，若感应加热时间小于0.1s，则植入层达不到层合板树脂的熔点；若感应加热时间大于10s，则植入层温度超过层合板树脂的热分解温度)。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，焊接植入层是将两层树脂薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到。优选地，树脂薄膜中的树脂与待焊接CF增强热塑性复合材料的树脂基体相同。
如上所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度T1～T2，预热2～8min，预加压力0.1～1MPa，真空成型压力0.5～2MPa，成型时间5～10min，降温速率1～70℃/min；
当树脂薄膜的材质为PPS时，T1为310℃，T2为350℃；
当树脂薄膜的材质为PEEK时，T1为370℃，T2为420℃；
当树脂薄膜的材质为PEKK时，T1为350℃，T2为400℃。
若成型温度小于T1，则树脂熔融程度低，纤维与树脂浸润性低，若成型温度大于T1，则树脂会产生过热现象；若预热时间小于2min，则模具无法达到成型温度，若预热时间大于8min，模具早已达到成型温度，继续预热则浪费能源；若预成型压力过小，则压机热板不能与模具完全接触，传热不良，若成型压力太大则浪费能源；若真空成型压力小于0.5MPa、成型时间小于5min，则树脂膜不能很好的浸润在金属网中，若真空成型压力大于2MPa、成型时间大于10min，则有过多的树脂从模具溢出。
本发明的原理是：
本发明主要采用可溶性聚酰亚胺(PI)类表面改性剂对浅表面氧化的金属铜网进行表面处理，提高金属铜网和热塑性基体的界面相互作用，从而使热塑性复合材料感应焊接接头获得更高的LSS。浅表氧化是通过弱氧化作用，使铜网中只有浅表层(10～100nm)被氧化，在铜网表面生成铜氧化物；再通过浸泡于PAA溶液，使得PAA通过氢键等作用沉积于铜氧化物表面；进而通过热处理，使浅表面氧化的铜网表面的PAA转化为PI。PI一方面可以与氧化铜具有氢键作用，另一方面与热塑性树脂基体(不论是PPS、PEEK还是PEKK等)，都具有较强的π-π键相互作用。因此PI作为桥梁，增强了浅表氧化的铜网和热塑性基体之间的界面强度。从而，复合材料感应焊接的接头在受剪切力时，应力可以通过界面充分传递，使热塑性复合材料感应焊接接头的LSS达到更高值。与此同时，在感应焊接过程中，铜网植入层可以精确地将焊接最高温度面锁定在焊接面处，且焊接效率高，仅需加热数秒钟便能使热塑性复合材料升至基体熔融温度以上。
有益效果：
本发明的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其中加入的铜网经界面改性后，可以提高铜网与热塑性基体之间的界面相互作用，从而提高感应焊接接头的LSS；且与辊压相比，真空袋压给压更均匀且保压时间长，有利于进一步提高接头质量的平整度和均匀性。最终制得的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件的LSS为28～38MPa。
附图说明
图1为现有技术不加铜网植入层进行感应焊接后的热塑性复合材料焊接件接头表面；
图2为本发明使用本发明所述的改性铜网植入层进行感应焊接后的热塑性复合材料焊接件接头表面。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PPS，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝1:1)中清洗5s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为70℃，浸渍时间为25min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层10nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.3wt％)中浸泡120min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.5wt％，然后在180℃下持续加热30min，再以1℃/min的速率升温至275℃并保温40min后，制得改性铜网；
(5)将两层PPS薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度310℃，预热5min，预加压力0.1MPa，真空成型压力0.5MPa，成型时间7min，降温速率1℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为30kHz，电源输出功率为15kW，感应加热时间为3s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.082MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为34MPa。
实施例2
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PPS，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝2:1)中清洗7s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为87℃，浸渍时间为42min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层82nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.48wt％)中浸泡100min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.3wt％，然后在215℃下持续加热11min，再以10℃/min的速率升温至295℃并保温20min后，制得改性铜网；
(5)将两层PPS薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度350℃，预热6min，预加压力0.3MPa，真空成型压力0.8MPa，成型时间8min，降温速率70℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为50kHz，电源输出功率为35kW，感应加热时间为0.1s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.095MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为31MPa。
实施例3
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PEEK，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝3:1)中清洗10s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为80℃，浸渍时间为40min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层63nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.43wt％)中浸泡70min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.2wt％，然后在205℃下持续加热15min，再以15℃/min的速率升温至260℃并保温60min后，制得改性铜网；
(5)将两层PEEK薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度370℃，预热3min，预加压力0.5MPa，真空成型压力1MPa，成型时间5min，降温速率20℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为25kHz，电源输出功率为10kW，感应加热时间为5s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.098MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为37MPa。
实施例4
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PEEK，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝4:1)中清洗12s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为78℃，浸渍时间为30min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层45nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.35wt％)中浸泡40min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.4wt％，然后在185℃下持续加热25min，再以25℃/min的速率升温至265℃并保温50min后，制得改性铜网；
(5)将两层PEEK薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度420℃，预热8min，预加压力0.8MPa，真空成型压力1.5MPa，成型时间6min，降温速率60℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为40kHz，电源输出功率为33kW，感应加热时间为2s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.1MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为38MPa。
实施例5
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PEKK，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝5:1)中清洗15s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为90℃，浸渍时间为45min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层100nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.5wt％)中浸泡5min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.3wt％，然后在190℃下持续加热20min，再以35℃/min的速率升温至285℃并保温30min后，制得改性铜网；
(5)将两层PEKK薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度350℃，预热4min，预加压力0.6MPa，真空成型压力1.1MPa，成型时间9min，降温速率30℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为10kHz，电源输出功率为25kW，感应加热时间为4.5s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.086MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为28MPa。
实施例6
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PEKK，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝1:1)中清洗17s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为74℃，浸渍时间为25min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层29nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.4wt％)中浸泡25min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.1wt％，然后在195℃下持续加热18min，再以45℃/min的速率升温至300℃并保温15min后，制得改性铜网；
(5)将两层PEKK薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度380℃，预热7min，预加压力0.9MPa，真空成型压力1.8MPa，成型时间10min，降温速率40℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为20kHz，电源输出功率为22kW，感应加热时间为4s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.091MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为33MPa。
实施例7
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，该方法中待焊接的材料是CF/PEKK，具体步骤如下：
(1)铜网首先用丙酮清洗，除去其表面杂质和油污；再在浓盐酸/无水乙醇混合溶液(V浓盐酸:V无水乙醇＝2:1)中清洗20s去除表面铜锈；接着，用去离子水冲洗，去除表面浓盐酸，防止残留的浓盐酸加速铜锈的生成，并用无水乙醇去除表面残留水分，完成清洗过程；
(2)将步骤(1)得到的铜网浸渍于浓度为30wt％的过氧化氢水溶液中进行浅表层氧化处理；水浴温度为85℃，浸渍时间为35min；经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层68nm厚的氧化层；
(3)将步骤(2)得到的铜网依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗去除残余的水分；
(4)将步骤(3)得到的铜网浸没于PAA的NMP溶液(质量分数为0.46wt％)中浸泡15min，取出浸渍PAA的NMP溶液后的铜网，将其干燥至含水量为0.2wt％，然后在220℃下持续加热5min，再以50℃/min的速率升温至310℃并保温10min后，制得改性铜网；
(5)将两层PEKK薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到焊接植入层；
热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度400℃，预热2min，预加压力1MPa，真空成型压力2MPa，成型时间7min，降温速率50℃/min；
(6)依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成100mm×25mm的焊接样条，焊接面积预选为25mm×25mm，再将步骤(5)制得的焊接植入层裁剪为25mm×25mm尺寸并置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为50kHz，电源输出功率为30kW，感应加热时间为1.5s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.093MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接，得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件。
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料制得的连接件的LSS为36MPa。
本发明中的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，在焊接的过程中，焊接件接头表面的温度远低于热塑性树脂的熔点，因此不会发生表面过热烧焦现象，如图2所示。

Claims (10)

1.基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于：将改性铜网作为碳纤维增强热塑性复合材料焊接植入层，进行感应焊接得到基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件；
所述改性铜网是将铜网依次经过浅表层氧化处理和耐高温上浆剂表面修饰处理得到；
所述经过浅表层氧化处理的铜网表面形成一层10～100nm厚的氧化层；
所述耐高温上浆剂表面修饰处理是指将浅表层氧化处理后的铜网浸没于耐高温上浆剂中，取出后进行200℃以上的热处理；所述耐高温上浆剂为聚酰胺酸的N-甲基吡咯烷酮溶液；
基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料连接件的单搭接剪切强度为28～38MPa。
2.根据权利要求1所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，所述浅表层氧化处理是指将铜网浸渍于过氧化氢水溶液中，过氧化氢水溶液的浓度为30wt％，水浴温度为70～90℃。
3.根据权利要求2所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，耐高温上浆剂中聚酰胺酸的质量分数为0.3～0.5wt％。
4.根据权利要求3所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，铜网在过氧化氢水溶液中的浸渍时间为25～45min；浅表层氧化处理后的铜网在耐高温上浆剂中浸泡的时间为5～120min。
5.根据权利要求1所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，所述取出后进行200℃以上的热处理是指取出浸渍耐高温上浆剂后的铜网，将其干燥至含水量小于0.5wt％，然后进行两段热处理：先在180～220℃下持续加热5～30min，再以1～50℃/min的速率升温至260～310℃并保温10～60min。
6.根据权利要求1所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，铜网在浅表层氧化处理前还依次浸泡于丙酮和浓盐酸中清洗并晾干。
7.根据权利要求1所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，铜网在浅表层氧化处理后还依次用去离子水淋洗和用无水乙醇清洗，之后再进行耐高温上浆剂表面修饰处理。
8.根据权利要求1所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，感应焊接的具体过程为：先依据ASTM D5868搭接剪切测试标准将热塑性复合材料层合板裁切成焊接样条，再将焊接植入层置于上下两块搭接的焊接样条之间，调节焊接频率为10～50kHz，电源输出功率为10～35kW，感应加热时间为0.1～5s，并利用真空袋压对焊接样条施加0.082～0.1MPa的压力，保压自然冷却，完成感应焊接。
9.根据权利要求8所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，焊接植入层是将两层树脂薄膜分别置于改性铜网两侧，平整地铺放于模具中，使用热压成型的方法得到。
10.根据权利要求9所述的基于表面改性铜网植入层的热塑性复合材料感应焊接方法，其特征在于，热压成型包括预热、成型和降温三个阶段，各阶段的工艺参数为：成型温度T1～T2，预热2～8min，预加压力0.1～1MPa，真空成型压力0.5～2MPa，成型时间5～10min，降温速率1～70℃/min；
当树脂薄膜的材质为PPS时，T1为310℃，T2为350℃；
当树脂薄膜的材质为PEEK时，T1为370℃，T2为420℃；
当树脂薄膜的材质为PEKK时，T1为350℃，T2为400℃。
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