CN115027063A - 一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法。本发明首次提出采用高性能纤维增强热塑性单向带(热塑性单向带)作为连接介质对热固性纤维增强复合材料(热固性复材)预浸料进行共固化连接。本发明首先对热塑性单向带进行表面活化，提高其与热固性复材基体树脂间的界面结合力，然后将热塑性单向带置于待连接热固性复材铺层的待连接区域，固化后成型热固性复材连接结构。与传统方法使用热固性胶粘剂相比，该方法能够实现连接介质层即热塑性单向带层的厚度和均匀性的精确控制，成型的连接接头的外观质量、结构质量和成品率高，质量稳定性好，适用于热压罐成型、真空袋成型和热压成型等复合材料接头的共胶接成型工艺，该连接方法能够大幅度提高热固性复材连接接头在室温和高温下的拉升强度、断裂性能和耐疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体为一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法。
背景技术
目前，国内外对热固性纤维增强复合材料(热固性复材)的共固化连接都是采用热固性胶粘剂作为连接介质，主要工艺流程为将热固性胶粘剂放置于待胶接的热固性复材铺层的被粘合面，然后将热固性复材和热固性胶粘剂在一定温度和压力下进行一步固化，形成复材连接接头，但是热固性胶粘剂在共固化过程中高温、高压条件下的流动性高，易从复材连接面溢出，导致最终热固性复材连接接头的胶层厚度不均匀且可控性差等问题，从而影响接头的性能稳定性和可靠性，此外，热固性胶粘剂还存在断裂韧性差、易发生突然失效、热稳定性能差等问题，因此，迫切需要发明新型的连接介质和相应的共胶接工艺来替代现有热固性复材的共胶接连接方法，以实现热固性复材的高质量连接。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法，包括以下步骤：
步骤一：根据待连接热固性复材待连接区域的形状和尺寸，裁剪形状相同，尺寸在各边大2-5mm的高性能纤维增强热塑性单向带作为连接介质。
步骤二：采用2-丙醇，乙醇或者丙等有机溶剂对热塑性单向带的上下表面进行擦拭，以实现脱脂和清洁；
步骤三：采用合适的表面处理方法和工艺对热塑性单向带的上下表面进行活化处理；
步骤四：将热塑性单向带放置于两块待连接的未固化热固性复材铺层的待连接面处形成待固化连接接头，然后对其进行压实，实现热塑性单向带的上下表面与两侧的热固性复材铺层的良好贴合，并排除气泡；
步骤五：采用适用于热固性复材的固化成型工艺对待固化热固性复材连接接头进行共固化成型，获得热固性复材连接接头。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高性能纤维增强热塑性单向带的孔隙率低于5％。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高性能纤维增强热塑性单向带的基体树脂选择高性能半结晶热塑性树脂，其具有韧性好、热稳定性能高、机械性能优异等特点。
作为本发明的一种优选技术方案，优选的，所述表面处理方法包括但不限于紫外线照射处理、等离子体处理和激光表面处理，进一步优选紫外线照射处理。
作为本发明的一种优选技术方案，在表面活化处理以后，热塑性单向带的表面水触角要低于65°。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤四中，实现待固化复材接头的压实优选抽真空处理，建议对待固化连接接头进行抽真空处理15-30分钟。
本发明具备以下有益效果：
本发明采用高性能纤维增强热塑性单向带(热塑性单向带)作为连接介质对热固性纤维增强复合材料(热固性复材)预浸料进行共固化连接，与传统方法使用热固性胶粘剂相比，该方法能够实现对连接层厚度和均匀性的精确控制，成型的连接接头的外观质量和结构质量高，质量稳定性好，对热压罐成型、真空袋成型和热压成型等复合材料接头的共胶接成型工艺具有普适性，该连接方法能够大幅度提高热固性复材连接接头的拉升强度、断裂性能、耐疲劳性能以及热稳定性。
附图说明
图1是单臂搭接连接接头铺层示意图；
图2是L型加强筋连接接头铺层示意图；
图3是实施例固化后连接接头的侧面实例图。
图中：1、热固性复合材料预浸料；2、热塑性单向带；3、热固性复合材料预浸料；4、热固性复合材料预浸料；5、热塑性单向带；6、热固性复合材料预浸料；7、固化后热固性复材；8、热塑性PEEK单向带；9、固化后热固性复材。
具体实施方式
下面将结合附图1-3对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中采用热塑性碳纤维单向带作为连接介质，对热固性复材进行连接，其具体工艺过程包括：
1：选定孔隙率低于5％的高性能纤维增强热塑性单向带(热塑性单向带)作为连接介质，选取的热塑性单向带的厚度即为最终热固性复材连接头的连接层厚度。其中，热塑性单向带的增强纤维包括但不局限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维，其基体树脂为半结晶高性能热塑性树脂，包括但不局限于聚苯硫醚(PPS)以及聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)等聚芳醚酮(PAEK)科树脂；
2：根据待连接热固性复材待连接区域的形状和尺寸，裁剪形状相同，尺寸在各边大2-5mm的热塑性单向带作为连接介质。
3：采用2-丙醇，乙醇或者丙等有机溶剂对热塑性单向带的上下表面进行擦拭，以实现表面脱脂和清洁；
4：采用合适的表面处理方法和工艺对热塑性单向带的上下表面进行活化处理，将热塑性单向带的表面水触角降低到65°以下。所述表面处理方法包括但不限于紫外线照射处理、等离子体处理和激光表面处理；
5：将热塑性单向带放置于两块待连接的未固化热固性复材铺层的待连接面处形成待固化连接接头，并对待固化连接接头进行抽真空处理15-30分钟，实现热塑性单向带的上下表面与两侧的热固性复材铺层的良好贴合，并排除气泡；
6：采用适用于热固性复材的固化成型工艺对待固化热固性复材连接接头进行共固化成型，获得热固性复材连接接头。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
实施例
待连接热固性复合材料为Hexcel(赫氏)公司HexPly 8552-IM7-35％-134预浸料，高性能纤维增强热塑性复合材料单向带为Toray(东丽)公司Cetex-TC1200碳纤维增强PEEK单向带，其增强纤维为AS4碳纤维，PEEK树脂含量为34％。用于性能对比的热固性胶粘剂材料为Solvay(苏威)公司FM300航空结构胶膜。所用的热塑性单向带表面处理工艺为，首先采用2-丙醇进行表面擦拭，然后采用高性能紫外线进行表面活化处理，所用紫外线的光源强度为200watts/cm，PEEK单向带与光源的距离为20-50cm，处理时间为5-30s。连接接头的固化条件为温度180℃，压力6bar，固化周期为2h。
表1对比了实施例中常规航空结构胶共胶接连接接头和本实施例提出的PEEK碳纤维单向带作为连接介质的连接接头性能。
表1航空结构胶碳纤维复材共胶接接头与本发明热塑性纤维增强单向带共胶接接头性能比较
Claims (10)
1.高性能纤维增强热塑性单向带作为连接介质对热固性复材预浸料铺层进行共固化连接中的应用。
2.根据权利要求1所述的一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法，其特征在于：采用高性能纤维增强热塑性单向带作为连接介质对热固性纤维增强复合材料进行共固化连接。
3.根据权利要求1所述的高性能纤维增强热塑性单向带的基体树脂为半结晶高性能热塑性树脂，包括但不局限于聚苯硫醚(PPS)以及聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)等聚芳醚酮(PAEK)科树脂。
4.根据权利要求1所述的高性能纤维增强热塑性单向带的增强纤维包括但不局限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维。
5.一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法，其特征在于，所述方法包括：
B1、根据待连接热固性复材结构的待连接区域的形状和尺寸，准备形状相同、尺寸略大的高性能纤维增强热塑性单向带；
B2、对作为连接介质的热塑性单向带进行表面脱脂、清洁和表面活化处理；
B3、将表面活化后的连接介质，即热塑性单向带放置于待连接热固性碳纤维铺层的待连接处，然后对待固化连接接头抽真空处理，实现热塑性单向带的上下表面与两侧热固性复材的良好贴合，并排除连接界面处的气泡；
B4、连接接头的固化成型工艺和固化压力和温度等参数依据热固性复材的最佳固化方法进行，适用的固化方法包括热压罐成型、真空袋成型和热压成型。
6.根据权利要求5所述的连接工艺的特征在于，所述步骤B1中，作为连接介质的热塑性单向带的生产质量要高，单向带内的孔隙率要低于5％。
7.根据权利要求5所述的连接工艺的特征在于，所述步骤B1中，作为连接介质的热塑性单向带的尺寸略大是指热塑性单向带的各边设计2-5mm的盈余。
8.根据权利要求5所述的连接工艺的特征在于，所述步骤B2中，需要对作为连接介质的热塑性单向带进行表面处理。具体的，首先对热塑性单向带进行脱脂和清洁处理，优选的脱脂和清洁溶剂为2-丙醇或乙醇，然后需要对其进行进一步的表面处理，优选的表面处理工艺包括等离子体处理、激光表面处理和紫外线照射处理，表面处理后的热塑性单向带表面水触角要低于65°。
9.一种热固性纤维增强复合材料的连接工艺及其使用方法在如下任意一种或多种中应用：
a)热固性复材制备；
b)热固性复材组装。
10.如权利要求9所述应用，其特征在于适用于基于热固性复材部件组成的复合材料结构，这一类复合材料结构的应用领域广泛，包括空天、交通、新能源、体育和国防等领域。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220909 |