一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法技术

一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，属于航空轻质合金胶接领域。该方法将预处理后的轻质合金通过火焰法合成工艺在轻质合金胶接区域表面原位生长CNT层，将两个负载CNT层的轻质合金利用胶接剂胶接，得到原位生长CNT层增强轻质合金胶接接头。该方法利用CNT层同步增强胶接剂与轻质合金间界面强度以及胶层的本体强度，从而实现对轻质合金胶接头力学性能的改善，提高其胶接接头的强度。本方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质合金胶接领域具有广泛的应用前景。

A Method of In-situ Growth of CNT Layer to Enhance Interfacial Strength of Light Alloy Bonding

【技术实现步骤摘要】
一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法
本专利技术涉及航空轻质合金胶接
，特别涉及一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，铝合金、钛合金、镁合金、铝锂合金等轻质合金材料在航空航天领域越来越广泛；各种轻质合金构件的连接技术也愈发受到关注。铆接、栓接等传统的机械紧固连接技术尽管可以提供足够的连接强度，但也存在较大不足。例如螺栓或铆钉使结构件整体的重量增加；螺栓孔的存在使结构件的横截面积减小，连接处的应力增加等。而胶接技术的出现弥补了机械紧固连接的诸多缺陷。胶接主要是通常胶接剂将金属结构粘接在一起，胶接接头的显著优点是在接头内提供均匀的应力分布，对粘合部件的厚度几乎没有限制，同时也能够粘合不同材质的结构。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。如何提高轻质合金胶接结构的强度、扩大其在各类飞行器上的应用范围是航空航天领域亟待解决重要问题。对轻质合金材料表面进行预处理、改善其表面形貌和化学特性是提高胶接头强度的一个非常重要的途径。通过磨损、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处理方法能够增加轻质合金表面张力、粗糙度以及化学极性，提高粘合剂与轻质合金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，从而实现轻质合金胶接接头的强化。然而，这些处理方法仅仅针对轻质合金表面且多为表面损伤处理，对连接件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。粘结胶层本体力学强度也是影响轻质合金胶接接头承载能力的关键因素之一。为此，大量的学者利用碳纳米管(CNT)增强接头胶层的力学强度。CNT是一维纳米材料，由于纳米尺度效应极易团聚，在粘结剂中难以均匀分散，因此，CNT的加入影响了胶接剂的工艺性能且优异性能难以得到充分的发挥。另外，CNT通过采用化学气相沉积(CVD)制备，生产设备复杂、反应时间长、能耗高、效率低。大规模利用CVD法制备的CNT增强胶接剂在实际应用中受到诸多的限制。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法。本专利技术解决技术问题的主要途径是通过火焰法合成工艺(催化剂在火焰中的催化作用)在轻质合金胶接区域表面原位生长CNT层，进而利用CNT层同步增强胶接剂与轻质合金间界面强度以及胶层的本体强度，从而实现对轻质合金胶接头力学性能的改善，提高其胶接接头的强度。本专利技术方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质合金胶接领域具有广泛的应用前景。本专利技术的一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，包括以下步骤：步骤1：轻质合金表面预处理将轻质合金待胶接区域表面的氧化层去除，得到预处理后的轻质合金；步骤2：火焰法原位生成CNT层将催化剂溶液均匀喷涂在预处理的轻质合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的轻质合金；将负载催化剂的轻质合金待胶接区域表面置于燃烧火焰中，在800～1100℃保持3～20min，在轻质合金待胶接区域表面生成互相纠缠的CNT层，得到负载CNT层的轻质合金；其中，燃烧火焰的燃料为C1～C7的碳氢化合物；步骤3：制备原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域表面均匀涂抹胶接剂，然后将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域相对贴合，施加压力，按胶接剂的固化工艺进行固化，得到原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头。其中，所述的步骤1中，所述的轻质合金为铝合金、钛合金、铝锂合金或铝镁合金中的一种。所述的步骤1中，可以进行轻质合金表面改性处理工艺，所述的表面改性处理工艺为磨损、喷砂、机械打磨、酸/碱蚀刻、电化学刻蚀、等离子刻蚀或激光刻蚀中的一种或几种。所述的步骤2中，所述的催化剂溶液中，催化剂为氯化铁、氯化镍、氯化钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴中的一种或几种，优选为硝酸镍。所述的步骤2中，所述的催化剂溶液，其物质的量浓度为0.5～2mol/L，优选为1mol/L。所述的步骤2中，所述的燃烧火焰为乙醇火焰、甲醇火焰、甲烷火焰、丁烷火焰、庚烷火焰、丙酮火焰、乙炔火焰或乙烯火焰中的一种或几种，优选为乙醇火焰。所述的步骤2中，燃烧温度优选为1000℃，保持时间优选为10min。所述的步骤3中，所述的胶接剂为环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂或酚醛树脂中的一种。本专利技术的一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，其有益效果为：1)本专利技术采用火焰法在轻质合金胶接区域表面原位生长CNT层，并利用CNT层增强轻质合金表面和胶接剂之间的粘结界面强度以及胶接头胶层的本体强度，从而提高轻质合金胶接头的力学强度；由于燃烧的火焰卷可同时提供适合CNT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合金胶接结构的力学性能强化。2)本专利技术的方法不损坏轻质合金本体性能，实施过程简单、成本极低、消耗低、绿色环保、灵活性大、适应性强、容易工业化推广。3)本专利技术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合金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为实施实例1铝合金表面CNT层的SEM图；图2为实施实例1制备的原位生长CNT层增强的铝合金单搭接胶接样件的结构示意图：1-第一铝合金；2-第一富CNT层；3-环氧树脂胶层；4-第二富CNT层，5-第二铝合金。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创新特征、达成效果易于了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本专利技术。以下实施例中，所有的环氧树脂胶接剂均是指已含固化剂的胶黏剂。对比例一种轻质合金胶接的方法，包括以下步骤：步骤I：轻质合金表面预处理将轻质合金待胶接区域表面的氧化层去除，得到预处理后的轻质合金；步骤II：制备轻质合金胶接头将两块预处理的轻质合金待胶接区域表面均匀涂抹胶接剂，然后将两块轻质合金待胶接区域相对贴合，施加压力，按胶接剂的固化工艺进行固化，得到轻质合金胶接头。实施例1一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，包括以下步骤：步骤1：轻质合金表面预处理将7075铝合金样件胶接区域表面用400目砂纸打磨，得到预处理后的7075铝合金；步骤2：火焰法原位生成CNT层将配置物质的量浓度为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7075铝合金表面，烘干，得到负载催化剂的7075铝合金；将负载催化剂的7075铝合金表面放在酒精火焰温度为1000℃的位置处，停留10分钟，在7075铝合金待胶接区域表面生成互相纠缠的CNT层，制备出负载CNT层的7075铝合金，对制备的铝合金表面CNT层进行SEM扫描分析，得到的铝合金表面CNT层的SEM图见图1。步骤3：制备原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头将环氧树脂均匀涂抹在两块负载CNT层的7075铝合金待胶接区域表面待粘接表面、贴合、固化、冷却，得到原位生长CNT层增强的铝合金单搭接胶接样件，其结构示意图见图2。与通过对比例制备的仅经过砂纸打磨的铝合金单搭接胶接样件相比，本专利技术的原位生长CNT层增强铝合金胶接样件的单搭拉伸剪切强度(LSS)达20.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：轻质合金表面预处理将轻质合金待胶接区域表面的氧化层去除，得到预处理后的轻质合金；步骤2：火焰法原位生成CNT层将催化剂溶液均匀喷涂在预处理的轻质合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的轻质合金；将负载催化剂的轻质合金待胶接区域表面置于燃烧火焰中，在800～1100℃保持3～20min，在轻质合金待胶接区域表面生成互相纠缠的CNT层，得到负载CNT层的轻质合金；其中，燃烧火焰的燃料为C1～C7的碳氢化合物；步骤3：制备原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域表面均匀涂抹胶接剂，然后将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域相对贴合，施加压力，按胶接剂的固化工艺进行固化，得到原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头。

【技术特征摘要】
1.一种原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：轻质合金表面预处理将轻质合金待胶接区域表面的氧化层去除，得到预处理后的轻质合金；步骤2：火焰法原位生成CNT层将催化剂溶液均匀喷涂在预处理的轻质合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的轻质合金；将负载催化剂的轻质合金待胶接区域表面置于燃烧火焰中，在800～1100℃保持3～20min，在轻质合金待胶接区域表面生成互相纠缠的CNT层，得到负载CNT层的轻质合金；其中，燃烧火焰的燃料为C1～C7的碳氢化合物；步骤3：制备原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域表面均匀涂抹胶接剂，然后将两块负载CNT层的轻质合金待胶接区域相对贴合，施加压力，按胶接剂的固化工艺进行固化，得到原位生长CNT层增强的轻质合金胶接头。2.如权利要求1所述的原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，其特征在于，所述的轻质合金为铝合金、钛合金、铝锂合金或铝镁合金中的一种。3.如权利要求1所述的原位生长CNT层增强轻质合金胶接界面强度的方法，其特征在于，所述的步骤1中，进行轻...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊需海，任荣，陈平，崔旭，龚鹏，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21