CN114571736A - 一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，属于金属/碳纤维增强热塑性复合材料加工技术领域，是针对金属与CFRTP复合制备过程中，因两者在物理、力学属性和化学性质上存在极大差异，导致两者无法紧密连接，连接界面出现机械锁合不明显，化学键合弱的问题。提出在传统超声波焊接工艺的基础上，对金属材料表面进行电解加工得到孔状微结构，以使得在超声波焊接时，高温熔化的树脂和短碳纤维流入并填充于金属表面加工的细微倾斜孔洞中，促进机械锁合、化学键合和钉扎有益效果的形成，得到强化连接接头，提高金属/CFRTP复合连接强度；同时在焊接前对金属表面进行硅烷偶联剂处理，增强金属与碳纤维异种材料的连接效果。

Description

一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法
技术领域
本发明属于金属/碳纤维增强热塑性复合材料加工技术领域，具体涉及一种超声增强连接金属/短切碳纤维增强热塑性复合材料的方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)因其具有质轻、高比强度、高模量、低的线膨胀系数和好的尺寸稳定性等一系列优异性能，被认为是21世纪最有可能取得突破性进展的新材料，在航空航天和机械运载等领域的轻量化需求巨大。
尤其近几年随着碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)种类的不断研发应用，以及金属材料仍然占据主要市场的原因，碳纤维复合材料与金属结构件的连接技术受到国内外学者和工业界越来越多的关注。
超声波焊接作为一种常见的金属/CFRTP复合制备方式，其原理是将超声波的高频振动能量通过焊接头传输到金属和CFRTP板材上，该振动能量通过金属和CFRTP表面间的冲击摩擦，表面接合处温度升高，产生高热，使接合处表面迅速熔化粘接，当超声波停止时，连接件仍短暂地在固定的压力下予以定型，使其融合成一体。
但在传统的超声波焊接工艺下，因金属和CFRTP在物理、力学属性和化学性质上存在极大差异，导致两者无法紧密连接，连接界面出现机械锁合不明显，化学键合弱的问题。仅依靠改变工艺参数无法改善此类问题从而得到理想的连接接头。
发明内容
针对现有金属/CFRTP复合连接时，因两者材料性质差异较大，易出现机械锁合不牢固，化学键合弱的问题，本发明提供了一种超声增强连接金属/短切碳纤维增强热塑性复合材料的方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种超声增强连接金属/短切碳纤维增强热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，对金属板和CFRTP板材进行表面清洁，去除金属板和CFRTP板材的表面油污及氧化膜；
步骤2，金属板表面电解加工：对表面清洁过的金属板进行电解加工，加工出微米级倾斜多孔结构；
步骤3，金属表面硅烷偶联剂处理：用清水完全浸润金属板，产生无缝水膜，并立即浸到硅烷偶联剂中处理；
步骤4，超声波焊接：将表面清洁过的CFRTP板材与硅烷偶联剂处理后的金属板的待连接部位叠放固定，然后通过超声波工艺实施焊接，冷却至室温即完成金属板与CFRTP板材的超声波连接，同时获得强化接头。
进一步，所述步骤4将表面清洁过的CFRTP板材与硅烷偶联剂处理后的金属板的待连接部位叠放固定具体采用单边搭接方式使CFRTP板材与金属板组合固定。
进一步，所述电解加工设备使用高频窄脉冲直流电源，以工件为阳极，工具电极为阴极，配合电解液使表层金属失电子离子化，实现金属表面微结构的加工。
进一步，所述微米级倾斜多孔结构具体为微米级多孔状、倾斜圆柱状结构；根据短碳纤维束直径5～22μm以及长度1～6mm，将小孔排列成点阵结构，孔间距为50～200μm，小孔倾斜角度为50～60°，孔径为100～700μm，结构深度为400～700μm。
进一步，所述电解加工采用恒电流方式进行加工，电流范围为0.3A～5A，选择电解液为NaOH溶液，加工小孔的直径为100～700μm，结构深度为400～700μm，通过电解加工持续时间控制小孔加工深度，并依据公式
Figure BDA0003524900390000031
计算出电解加工持续时间。
进一步，所述步骤4中通过超声波工艺实施焊接的具体施工压力为0.1～0.5Mpa，超声波设备额定功率为2.6kW，额定频率为20kHz。
进一步，所述电解加工金属表面工艺是在立式电解加工机床上进行的；所述的超声波连接工艺是在超声波焊接设备上进行的。
在金属/CFRTP复合制备过程中，对金属板表面进行电解加工得到孔状微结构，使得在超声波焊接过程中，熔化的树脂和短碳纤维束嵌入金属表面细微倾斜孔洞中，一方面可以增强连接界面金属与CFRTP机械互锁和化学键合强度，另一方面还可以调整短碳纤维束与金属的连接角度，当短碳纤维束嵌入倾斜孔洞中，提高了“钉扎”强度，并实现综合提高界面强度的目的；同时使用硅烷偶联剂对金属表面进行处理，增强金属与CFRTP异种材料连接效果。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明利用电解加工工艺，将金属板材表面加工出微米级的多孔结构，在一定压力下实施超声波焊接工艺，超声波焊头将振动传递到连接界面，连接界面振动摩擦产生热能使CFRTP板材发生熔化，熔化的CFRTP板材在所述已制备的多孔微结构金属基板表面润湿铺展，短碳纤维以及熔化的树脂在界面压力的作用下填充进所述的金属基板表面倾斜圆柱孔微结构内，冷却至室温后增加了额外的机械锁合以及更强的化学键合；同时部分碳纤维束也被嵌入倾斜孔洞中，“钉扎”强度提高；此外为了增强金属与CFRTP异种材料的结合效果，金属表面进行硅烷偶联剂处理，形成了更加良好的连接接头。
通过本发明超声增强连接方法加工的金属/CFRTP连接接头，实现接头的机械互锁、钉扎和化学键合综合强化效果，具有良好的界面连接强度。本发明超声增强连接方法制备工艺简单，方便操作，适用性强，可用于高强度和高质量金属/CFRTP的复合制备。
附图说明
图1是本发明超声增强连接金属/CFRTP方法中使用电解加工得到的金属板材示意图；
图2是本发明超声增强连接金属/CFRTP方法中使用电解加工得到的金属板材表面微结构示意图；
图3是本发明金属/CFRTP超声波焊接示意图；
图4是本发明金属/CFRTP超声波焊接设备夹具示意图；
图5是实施例1中5052铝合金/SCF-PA超声波焊接成品图；
图6是实施例1中5052铝合金/SCF-PA连接件截面扫描图片；
图7是实施例1中5052铝合金/SCF-PA连接界面电镜图片。
图中：1：超声波焊头；2：表面具有微米级倾斜孔洞的金属板；3：CFRTP板材；4：垫块；5：夹具压条；6：底座；7：六角头螺栓。
具体实施方式
电解加工设备为立式电解加工机床，使用高频窄脉冲直流电源，以工件为阳极，工具电极为阴极，配合电解液使表层金属失电子离子化，实现金属表面微结构的加工。
超声波工艺实施焊接的具体施工压力为0.1～0.5Mpa，超声波设备额定功率为2.6kW，额定频率为20kHz。
实施例1
本实验例以铝合金和短切碳纤维增强尼龙(SCF-PA)为例。进一步说明超声增强连接实施方法。
铝合金/SCF-PA的具体超声增强连接方法步骤如下。
步骤一、实验板材的选取：本发明选取长度为60mm，宽度20mm，厚度1mm的5052铝合金板；所选SCF-PA板长度为55mm，宽度为20mm，厚度2mm，其中碳纤维为短切碳纤维束。
步骤二、板材表面处理：对铝板及SCF-PA板材采用无水乙醇清洗液擦洗；
步骤三、铝板表面电解加工：电解加工工艺采用恒电流方式进行加工，电流为5A，选择电解液为2mol/L NaOH溶液，通过电解加工持续时间控制小孔加工深度，并依据公式
Figure BDA0003524900390000051
计算出电解加工持续时间，本实验例中A＝26.9815g/mol，n＝2，ρ值为7.407*10-2g/mm3，所加工小孔面积为7.065*10-2mm2，计算得到t＝53s。加工出6*6微米级多孔状、倾斜圆柱状点阵结构；所述微米结构直径为300μm，深度为500μm，间距为200μm，倾斜角度为60°。
步骤四、铝板表面硅烷偶联剂处理：用清水完全浸润铝板，产生无缝水膜，并立即浸到硅烷处理剂中，增强结合效果。
步骤五、超声波焊接：将去除表面油污的SCF-PA板材(3)与电解加工所得铝板(2)的待连接部位按单边搭接方式组合，并使用垫块(4)将组合板叠放在底座(6)上，铝板放置在上侧，SCF-PA板放置在下侧，使用夹具压条(5)压紧组合板材，拧紧六角头螺栓(7)，完成固定。超声波焊头(1)在0.2Mpa压力下实施超声波焊接，超声波设备额定功率为2.6kW，额定频率为20kHz。超声波焊接工艺为材料单边搭接方式，焊接时间为4000ms，振幅为75％，焊接压力为0.2MPa，能耗为1000J。
步骤六、冷却成品。
步骤七、检测、分析表征。对铝合金/SCF-PA连接件进行显微组织、拉伸性能测试、表征。
结论：在超声波焊接下，得到的单搭接铝合金/SCF-PA接头具有良好的形貌；观察到连接部位，金属表面多孔状微结构能够被树脂以及短碳纤维充分地填充满，形成良好的机械锁合、化学键合和钉扎效果；且制备成本低，工艺简单，方便操作，适用性强。
对比例1
如公开号为CN112123789A公开了“一种金属碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法”，其使用纳秒激光系统以及微弧氧化制备工艺对6061铝合金表面进行加工处理，并采用激光连接实现6061铝合金与CF-PET材料的连接。相比较，本发明采用电解加工得到孔状微结构，并配合超声波焊接，利用高温熔化的树脂和短碳纤维束填充于细微倾斜孔洞中，得到强化连接接头。此方法制备成本低，工艺简单，方便操作，适用性强，界面结合强度高，可实现接头的机械互锁、钉扎和化学键合的综合强化有益效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，对金属板和CFRTP板材进行表面清洁，去除金属板和CFRTP板材的表面油污及氧化膜；
步骤2，金属板表面电解加工：对表面清洁过的金属板进行电解加工，加工出微米级倾斜多孔结构；
步骤3，金属表面硅烷偶联剂处理：用清水完全浸润金属板，产生无缝水膜，并立即浸到硅烷偶联剂中处理；
步骤4，超声波焊接：将表面清洁过的CFRTP板材与硅烷偶联剂处理后的金属板的待连接部位叠放固定，然后通过超声波工艺实施焊接，冷却至室温即完成金属板与CFRTP板材的超声波连接，同时获得强化接头。
2.根据权利要求1所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4将表面清洁过的CFRTP板材与硅烷偶联剂处理后的金属板的待连接部位叠放固定具体采用单边搭接方式使CFRTP板材与金属板组合固定。
3.根据权利要求2所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述电解加工设备使用高频窄脉冲直流电源，以工件为阳极，工具电极为阴极，配合电解液使表层金属失电子离子化，实现金属表面微结构的加工。
4.根据权利要求3所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：根据短碳纤维束直径5～22μm以及长度1～6mm，将小孔排列成点阵结构，孔间距为50～200μm，小孔倾斜角度为50～60°，孔径为100～700μm，结构深度为400～700μm。
5.根据权利要求1所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述电解加工采用恒电流方式进行加工，电流范围为0.3A～5A，选择电解液为NaOH溶液，加工小孔的直径为100～700μm，结构深度为400～700μm，通过电解加工持续时间控制小孔加工深度，并依据公式
Figure FDA0003524900380000021
计算出电解加工持续时间；其中：h表示小孔加工深度，A表示阳极金属元素的相对原子质量，单位是g/mol；n表示阳极金属元素参与电极反应的离子价、F表示法拉第常数，96500A·s/mol，ρ表示阳极溶解物质的密度g/mm3，S表示电解加工小孔的面积mm2、I表示电解加工过程中阳极电流值A。
6.根据权利要求1所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述步骤4中通过超声波工艺实施焊接的具体施工压力为0.1～0.5Mpa，超声波设备额定功率为2.6kW，额定频率为20kHz。
7.根据权利要求1所述的一种超声增强连接金属/短切碳纤维复合材料的方法，其特征在于：所述电解加工金属表面工艺是在立式电解加工机床上进行的；所述的超声波连接工艺是在超声波焊接设备上进行的。
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