CN115742118A - 一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法，属于碳纤维复合材料连接技术领域。通过将胶膜和单向T800碳纤维预浸料均匀铺在两块碳纤维复合材料上，再铺上脱模布、隔离膜、透气毡，然后包裹真空袋，并在真空袋上部放置碳化硅颗粒，最后包裹透波保温材料，在微波设备中微波加热，树脂受热发生固化交联反应，将碳纤维复合材料连接，通过上述方法得到的连接后的碳纤维复合材料具有优异的拉伸和抗弯曲性能，有效提高了微波加热技术在连接高性能复合材料中的可行性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料连接技术领域，尤其涉及一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法。
背景技术
碳纤维复合材料是碳纤维按照一定的方向排布，然后用树脂或者其它粘合材料紧密连接成一条的复合材料。碳纤维复合材料兼具强度高、韧性高、比重轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，在国防军工和民用方面都有广泛的应用。
除了一体成型，碳纤维复合材料的构件高强度连接是行业里面临的重要课题，碳纤维复合材料无法像金属那样进行“焊接”，所以选择粘合材料(粘合剂)进行粘结是重要的连接手段。但粘合剂面临的一个最大的问题就是强度问题，德国汉高出品的Loctite EA9432NA用于碳纤维复合材料粘结的单组份环氧树脂粘合剂，价位很高，需求量和使用量非常大，但其拉伸强度仅为39Mpa。
铆接即铆钉连接，是利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的方法，目前除了焊接，铆接是材料连接中常用的工艺，但是在其工艺过程中，对连接基体进行打孔操作时会破坏基体表面并可能在基体周围产生裂纹，这对基体材料的力学性能均一性具有不利影响，并削弱被连接件截面强度15％～20％。
热压罐固化是目前用于加热固化碳纤维/环氧树脂预浸料最常用的工艺，该工艺通过高压热空气在腔体内的循环将碳纤维复合材料预浸料加压、加热以完成固化成型。然而由于热压罐属于高压力容器，其结构复杂，制造成本高，且热压罐固化工艺流程长、能耗高，导致碳纤维/环氧树脂预浸料的固化成本居高不下。因此，本领域亟需一种能耗低、流程短且粘结强度高的碳纤维复合材料固化连接方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使连接后的碳纤维复合材料具有优异的拉伸和抗弯曲性能，有效提高了微波加热技术在连接高性能复合材料中的可行性和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法，所述碳纤维复合材料利用交联材料，通过微波加热进行连接，加热过程在密封环境下进行往复直线运动；微波传热介质包括碳化硅材料；所述碳化硅材料包括碳化硅模具和碳化硅颗粒；所述交联材料包括胶膜和碳纤维预浸料；所述碳纤维复合材料连接方式为首尾连接。
优选的，所述胶膜中含有玻璃纤维以及树脂；所述碳纤维预浸料中含有碳纤维和树脂；所述碳纤维复合材料中含有碳纤维和树脂。
优选的所述树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来亚酰胺树脂或改性树脂中的一种或几种。
优选的，胶膜中采用的玻璃纤维包括无碱、耐化学、高碱、中碱、高强度、高弹性模量或抗碱玻璃纤维。
优选的，一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法包括以下步骤：将两块碳纤维复合材料首尾连接，放置于碳化硅模具上，依次将胶膜、碳纤维预浸料铺在所述碳纤维复合材料上，再依次铺上脱模布、隔离膜、透气毡，然后用真空袋包裹，并在所述真空袋上放置碳化硅颗粒，最后包裹上透波保温材料，微波加热，加热过程在密封环境下进行往复直线运动，使碳纤维复合材料固化连接。
优选的，所述碳纤维复合材料中的碳纤维为T300碳纤维，所述碳纤维预浸料中的碳纤维为T800碳纤维。
优选的，所述胶膜的铺设厚度为0.12-0.36mm。
优选的，所述碳纤维预浸料的铺设厚度为0.06-0.48mm。
优选的，所述透波保温材料包括保温石棉布、微晶玻璃、氧化铝保温砖或硅酸铝保温砖中的一种或多种；所述透波保温材料的厚度为20～50mm。
优选的，所述微波加热的频率为2.45GHz的连续功率，加热时间为180-200min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明从传热原理着手，选择吸波性能优异的碳化硅模具、碳化硅颗粒、胶膜中的玻璃纤维和碳纤维，采用简易的微波加热方式，将热能传递到树脂并达到其交联温度，使其发生固化交联反应，从而将碳纤维复合材料连接，连接后的碳纤维复合材料具有优异的拉伸和抗弯曲性能。
本发明提供的一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法的应用不拘泥于微波加热设备形式，具有较强的适应性，有效提高了微波加热技术在连接高性能复合材料中的可行性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-5中热扩散速率调控方式示意图，其中1为碳化硅模具，2为碳纤维复合材料，3为T800碳纤维/环氧树脂预浸料，4为碳化硅颗粒，5为真空管，6为保温石棉布，7为真空袋，8为胶膜，9为密封胶带；
图2为实施例1-5连接的碳纤维复合材料的拉伸强度比较示意图；
图3为实施例1-5连接的碳纤维复合材料的抗弯曲强度比价示意图；
图4为实施例4的微波加热过程工艺图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例中的室温指的是25±2℃。
本发明实施例提供了一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法，碳纤维复合材料利用交联材料，通过微波加热进行连接，加热过程在密封环境下进行往复直线运动；微波传热介质包括碳化硅材料；其中碳化硅材料包括碳化硅模具和碳化硅颗粒，交联材料包括胶膜和碳纤维预浸料，碳纤维复合材料连接方式为首尾连接。
其中，胶膜中含有玻璃纤维以及树脂；碳纤维预浸料中含有碳纤维和树脂；碳纤维复合材料中含有碳纤维和树脂。
进一步的，树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来亚酰胺树脂或改性树脂中的一种或几种；胶膜中采用的玻璃纤维包括无碱、耐化学、高碱、中碱、高强度、高弹性模量或抗碱玻璃纤维。
本发明提供的技术方案可调控碳纤维复合材料的连接强度：通过碳化硅模具、碳化硅颗粒、胶膜中的玻璃纤维以及碳化纤维传热，粘接不同厚度的胶膜和碳纤维预浸料，并在微波设备中加热固化以达到不同强度的连接效果。
进一步的，包括以下步骤：将两块碳纤维复合材料首尾连接，放置于碳化硅模具上，依次将胶膜、碳纤维预浸料铺在所述碳纤维复合材料上，再依次铺上脱模布、隔离膜、透气毡，然后用真空袋包裹，并在所述真空袋上放置碳化硅颗粒，最后包裹上透波保温材料，微波加热，加热过程在密封环境下进行往复直线运动，使碳纤维复合材料固化连接。
其中，所述碳纤维复合材料中的碳纤维为T300碳纤维，所述碳纤维预浸料中的碳纤维为T800碳纤维；所述胶膜的铺设厚度为0.12-0.36mm；所述碳纤维预浸料的铺设厚度为0.06-0.48mm；所述透波保温材料包括保温石棉布、微晶玻璃、氧化铝保温砖或硅酸铝保温砖中的一种或多种；所述透波保温材料的厚度为20～50mm。
由于胶膜的厚度会限制粘结性能，当其厚度超过0.36mm时，所得碳纤维复合材料的强度会下降，因此，胶膜的厚度不宜过大；由于胶膜与碳纤维复合基体结合能过小，易失效，为了避免胶膜与碳纤维复合基体结合后失效影响碳纤维复合材料的强度，必须铺设碳纤维预浸料用于加固强度，当铺设的预浸料厚度过低时，无法发挥加固强度的目的，当铺设的碳纤维预浸料的厚度过大时(超过0.48mm)，由于交联材料(胶膜和碳纤维预浸料层)的物理性能远远大于胶膜与碳纤维复合材料的粘结性能，此时完成连接后的碳纤维复合材料的三点弯曲强度与拉伸强度增加不明显或者与碳纤维预浸料厚度为0.48mm的试样相当。
所述微波加热的频率为2.45GHz的连续功率，加热时间为180-200min。
以下实施例中所用T300碳纤维/环氧树脂复合材料基体购自根选品牌，树脂质量分数为30％，T300碳纤维质量分数为70％，厚度为2mm
胶膜购自光威复材，规格为LJM-170，树脂质量分数为90％，玻璃纤维质量分数为10％，厚度为0.12mm；
T800碳纤维/环氧树脂预浸料购自光威复材，规格为UIN05400，树脂质量分数为35％，纤维单位面积质量为54g/m2，厚度为0.06mm。
实施例1
将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料基体(尺寸：130mm×15mm×2mm)的粘接面用砂纸(W10)进行无定向打磨至表面光滑，用无水乙醇清洗三次，干燥。
如图1所示，先将上述处理后的两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料2首尾连接放置在碳化硅平板模具1上，再将1层胶膜(LJM-170)8(尺寸：250mm×15mm×0.12mm)均匀铺在碳纤维复合材料基体2上，最后将2层T800碳纤维/环氧树脂预浸料3([0°]2,尺寸：250mm×15mm×0.12mm)铺在胶膜8上，依次铺上脱模布、隔离膜和透气毡并使用真空袋7封装，以密封胶带9进行密封，并经真空管5抽真空(真空度为-0.092MPa)；在真空袋7的外表面均匀放置碳化硅颗粒4，最后使用25mm厚的保温石棉布6将碳化硅模具和模具上放置的上述各层材料上下两面紧密包裹，且保温石棉布6的边缘至少大于层合板边缘25mm。
完成密封后，将模具放入微波腔体内中心处，并使模具在整个加热过程中保持往复直线运动，保持200min。如图4所示，在升温阶段实时调节功率升温，保温阶段与升温阶段都采用2.45GHz的连续微波加热。固化完成后，对连接的碳纤维复合材料进行力学性能测试，测试标准为ASTMD790与ASTMD3039，结果显示：拉伸强度为68.47MPa，抗弯曲强度为289.38MPa。
实施例2
本实施例将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料基体(尺寸：130mm×15mm×2mm)的粘接面用砂纸(W10)进行无定向打磨至表面光滑并用无水乙醇清洗三次，干燥。
如图1所示，先将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料2首尾连接放置在碳化硅平板模具1上，再将1层胶膜8(尺寸：250mm×15mm×0.12mm)均匀铺在碳纤维复合材料基体2上，最后将4层T800/环氧树脂预浸料([0°]4,尺寸：250mm×15mm×0.24mm)铺在胶膜8上，依次铺上脱模布、隔离膜和透气毡并使用真空袋7封装，以密封胶带9进行密封并经真空管5抽真空(真空度为-0.092MPa)；在真空袋7的外表面均匀放置碳化硅颗粒4，最后使用25mm厚的保温石棉布6将碳化硅模具和模具上放置的上述各层材料上下两面紧密包裹，且保温石棉布6的边缘至少大于层合板边缘25mm。
完成密封后，将模具放入微波腔体内中心处，并使模具在整个加热过程中保持往复直线运动，保持190min。如图4所示，在升温阶段实时调节功率升温，保温阶段与升温阶段都采用2.45GHz的连续微波加热。固化完成后，测试标准为ASTMD790与ASTMD3039，已被连接的碳纤维复合材料的强度如下：拉伸强度为158.88MPa，抗弯曲强度为560.96MPa。
实施例3
将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料基体(尺寸：130mm×15mm×2mm)的粘接面用砂纸(W10)进行无定向打磨至表面光滑并用无水乙醇清洗三次，干燥。
如图1所示，先将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料2首尾连接放置在碳化硅平板模具1上，再将1层胶膜8(尺寸：250mm×15mm×0.12mm)均匀铺在碳纤维复合材料基体2上，最后将6层T800/环氧树脂预浸料([0°]2,尺寸：250mm×15mm×0.36mm)铺在胶膜8上，依次铺上脱模布、隔离膜和透气毡并使用真空袋7封装，以密封胶带9进行密封并经真空管5抽真空(真空度为-0.092MPa)；在真空袋7的外表面均匀放置碳化硅颗粒4，最后使用25mm厚的保温石棉布6将碳化硅模具和模具上放置的上述各层材料上下两面紧密包裹，且保温石棉布6的边缘至少大于层合板边缘25mm。
完成密封后，将模具放入微波腔体内中心处，并使模具在整个加热过程中保持往复直线运动，保持185min。如图4所示，在升温阶段实时调节功率升温，保温阶段与升温阶段都采用2.45GHz的连续微波加热。固化完成后，已被连接的碳纤维复合材料的强度如下：拉伸强度为198.66MPa，抗弯曲强度为651.48MPa。
实施例4
本实施例将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料基体(尺寸：130mm×15mm×2mm)的粘接面用砂纸(W10)进行无定向打磨至表面光滑并用无水乙醇清洗三次，干燥。
如图1所示，先将两块单向T300碳纤维/环氧树脂复合材料2首尾连接放置在碳化硅平板模具1上，再将1层胶膜8(尺寸：250mm×15mm×0.12mm)均匀铺在碳纤维复合材料基体2上，最后将8层T800/环氧树脂预浸料([0°]2,尺寸：250mm×15mm×0.48mm)铺在胶膜8上，依次铺上脱模布、隔离膜和透气毡并使用真空袋7封装，以密封胶带9进行密封并经真空管5抽真空(真空度为-0.092MPa)；在真空袋7的外表面均匀放置碳化硅颗粒4，最后使用25mm厚的保温石棉布6将碳化硅模具和模具上放置的上述各层材料上下两面紧密包裹，且保温石棉布6的边缘至少大于层合板边缘25mm。
完成密封后，将模具放入微波腔体内中心处，并使模具在整个加热过程中保持往复直线运动，保持180min。如图4所示，在升温阶段实时调节功率升温，保温阶段与升温阶段都采用2.45GHz的连续微波加热。固化完成后，已被连接的碳纤维复合材料的强度如下：拉伸强度为206.43MPa，抗弯曲强度为692.55MPa。
实施例5
同实施例4，不同之处在于铺设2层胶膜，使用胶膜的铺设厚度为0.24mm，拉伸强度为240.29MPa，抗弯曲强度为730.27MPa。
对比例1
同实施例1，不同之处在于去除0.12mm的胶膜，拉伸强度为30.02MPa，抗弯曲强度为96.15MPa。
通过测定实施例1-4所得碳纤维复合材料的力学性能，可以看出，在胶膜厚度不变的情况下，T800/环氧树脂预浸料的厚度在一定范围内越大，所得碳纤维复合材料的力学性能越好，详见图2和图3。
由对比例1可知，在不加入胶膜的情况下，所得碳纤维复合材料的力学性能与实施例1相比显著下降，由此可知，只有同时使用胶膜和碳纤维预浸料时，才可以得到力学性能良好的碳纤维复合材料。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种微波加热固化连接碳纤维复合材料的方法，其特征在于，将所述碳纤维复合材料利用交联材料，通过微波加热进行连接，加热过程在密封环境下进行往复直线运动；
微波传热介质包括碳化硅材料；
所述碳化硅材料包括碳化硅模具和碳化硅颗粒；
所述交联材料包括胶膜和碳纤维预浸料；
所述碳纤维复合材料连接方式为首尾连接。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述胶膜中含有玻璃纤维以及树脂；所述碳纤维预浸料中含有碳纤维和树脂；所述碳纤维复合材料中含有碳纤维和树脂。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来亚酰胺树脂或改性树脂中的一种或几种。
4.根据权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，包括以下步骤：将两块碳纤维复合材料首尾连接，放置于碳化硅模具上，依次将胶膜、碳纤维预浸料铺在所述碳纤维复合材料上，再依次铺上脱模布、隔离膜、透气毡，然后用真空袋包裹，并在所述真空袋上放置碳化硅颗粒，最后包裹上透波保温材料，微波加热，加热过程在密封环境下进行往复直线运动，使碳纤维复合材料固化连接。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料中的碳纤维为T300碳纤维，所述碳纤维预浸料中的碳纤维为T800碳纤维。
6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述胶膜的铺设厚度为0.12-0.36mm。
7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述碳纤维预浸料的铺设厚度为0.06-0.48mm。
8.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述透波保温材料包括保温石棉布、微晶玻璃、氧化铝保温砖或硅酸铝保温砖中的一种或多种；所述透波保温材料的厚度为20～50mm。
9.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述微波加热的频率为2.45GHz的连续功率，加热时间为180-200min。
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