一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头及其制备方法技术

本发明专利技术涉及异种材料的焊接领域，特别涉及一种合金

【技术实现步骤摘要】
一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头及其制备方法


[0001]本专利技术涉及异种材料的焊接领域，特别涉及一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着工程轻量化需求的增加，金属和聚合物的连接，尤其是轻质合金与复合材料层合板的连接显得尤为重要。目前，对于轻质合金与复合材料层合板的连接主要包括粘接和机械连接。复合材料机械连接具有易于质量控制、便于装卸、安全可靠、强度分散性小、载荷传递性能好等优点；同时也存在由于开孔引起应力集中、连接效率低以及增加紧固件重量等缺点；机械连接一般会使结构件增重20％左右。胶接连接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸的整体，不同于机械连接，胶接连接无需开孔，且具有效率高、结构重量轻的优点，非常适合异形、异质、薄壁、复杂的零件的连接。但胶接连接质量控制比较困难；固化时间长；胶接头性能易受环境(湿、热、腐蚀介质)的影响；胶接连接后一般不可拆卸。因此，目前发展新型的轻质合金与复合材料的连接技术迫在眉睫，其中，搅拌摩擦焊接是一种在轻质合金与复合材料连接中有着巨大应用前景的技术。
[0003]搅拌摩擦焊接技术是由英国焊接研究所在1991年针对铝合金开发的一种新颖的固态焊接技术，其具有焊接过程简单、焊接效率高、成本小、污染小等特点，是一种绿色的焊接技术，在航空航天、汽车制造、建筑能源、船舶等领域有着广泛的应用。近年来，有学者将该技术应用于轻质合金与复合材料的连接，但普遍存在连接界面强度不高的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种焊接区域表面覆盖碳纳米管(CNTs)涂层的合金与复合材料的搅拌摩擦焊接接头及这种焊接接头的制备方法。通过火焰法合成工艺在合金表面原位生长CNTs涂层，进而利用覆盖CNTs涂层的合金包覆一张中间层热塑性树脂薄膜，然后与复合材料进行焊接，冷却后便获得高强度的合金-复合材料摩擦焊接接头。由于CNTs独特的导电和传热效应，使得焊接区域树脂熔融状态得到改善；同时由于CNTs的纳米增强效应使合金与树脂间界面粘结强度得到显著改善，进而提高了焊接接头强度。
[0005]本专利技术的合金-复合材料摩擦焊接接头包括合金、复合材料和中间层树脂薄膜，通过搅拌摩擦焊的方法制备而成。其中合金和复合材料为焊接母材；中间层树脂薄膜设置于合金和复合材料之间，起到熔融粘结剂的作用。合金在焊接区域处的表面覆盖有CNTs涂层作为界面增强剂，CNTs涂层由多壁CNTs(MWCNTs)阵列构成，其中多壁CNTs的平均长度为10-30μm。
[0006]所述的合金可以为铝合金、镍铬合金、铁铬合金、镍铜合金中的一种。
[0007]所述复合材料可以为增强材料增强的热塑性树脂基复合材料，或经过表面塑化处理的热固性树脂基复合材料。所述增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种；所述表面塑化处理采用一层热塑性的树脂薄膜或一层热塑性预浸料。具体来说，复
合材料可以为碳纤维增强聚苯硫醚层合板、玻璃纤维增强聚醚酰亚胺层合板、碳纤维增强聚醚酮层合板、碳纤维增强聚醚醚酮层合板、玻璃纤维增强聚醚醚酮层合板中的一种。
[0008]中间层树脂薄膜的厚度优选为0.1～0.5mm，中间层树脂薄膜优选采用与所用的复合材料的基体树脂一致或极性相近的热塑性树脂制备。例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚腈(PEN)、含酞侧基聚醚酮(PEK-C)，含酞侧基聚醚砜(PEK-S)，含杂萘联苯结构聚芳醚砜酮(PPESK)等。
[0009]复合材料与合金采用搅拌摩擦焊的连接方式通常具有以下问题：(1)在焊接充分预热之前，由于复合材料中的聚合物基体导热性差，聚合物基体中的大分子结构容易被打破。(2)搅拌摩擦焊的搅拌过程会破坏界面分子链，导致界面分子链纠缠数比本体聚合物的纠缠数少得多，更加导致了浸润性和附着力的变差。(3)焊接过程中，由于复合材料的聚合物基体导热性差，限制了搅拌摩擦焊接过程中从前进侧到后退侧的热传导，使前进侧和后退侧的物料流动和温度分布产生差异，进而导致了试样表面温度分布和熔融状态的不均匀，再加上焊接母材之间附着力差的影响，容易在焊接表面产生缺陷。
[0010]上述问题会导致复合材料和合金的搅拌摩擦焊过程中，焊接表面和接头处产生裂缝、孔洞、裂纹等缺陷，降低焊接的表面质量和焊接接头的力学性能。
[0011]碳纳米管(CNTs)具有超高的延展性、杨氏模量、强度和独特的电学性能，还具有具有独特的热性能和类似于高分子材料的链结构。CNTs的类似于高分子材料的链结构与复合材料的聚合物基体相容性好，能够使更多的链分布在合金-复合材料界面中，使合金表面与聚合物的润湿性得到改善，提高复合材料与合金的界面粘结强度，进而提高焊接质量。CNTs能够提升焊接过程中材料的导热性能，不但可以改善焊接过程中熔核的热性能，有效阻止大分子结构被打破，还能够促进焊接过程中材料的混合和流动，改善焊接区域温度的均匀性和树脂的熔融状态，这有利于复合材料表面树脂的快速熔融粘合，并减少缺陷的产生，有利于界面空隙的密实填充，对提高焊接接头的抗拉强度、伸长率等力学性能，获得良好的焊接接头组织具有重要作用。
[0012]然而，CNTs容易产生结块，而其结块可能作为缺陷影响焊接接头的性能。因此本专利技术选择了搅拌摩擦焊接，搅拌摩擦焊工艺具有良好的分散能力，能够减少CNTs的结块。同时CNTs的加入导致的导热性的提高，可以促进焊接过程中材料的混合和流动，也能减少CNTs的结块。
[0013]CNTs还能够使中间层树脂薄膜在焦耳热的作用下快速熔融，快速熔融又能反过来保护合金表面覆盖的CNTs涂层在高温下不被氧化分解。
[0014]本专利技术还提供了上述的合金表面覆盖的CNTs涂层制备方法，通过火焰法合成工艺在合金表面原位生长CNTs，包括以下步骤：
[0015](1)喷涂催化剂:
[0016]将催化剂溶液均匀喷涂在合金待焊接区域表面，烘干，得到负载催化剂的合金；催化剂溶液可以为氯化铁溶液、硝酸镍溶液、硝酸钴溶液中的一种或几种，催化剂溶液的物质的量浓度为0.5～2mol/L。
[0017](2)火焰法制备:
[0018]将负载催化剂的合金置于燃烧火焰中，在合金表面生长出CNTs涂层，得到待焊接
区域表面覆盖CNTs涂层的合金。其中，燃烧火焰温度为800-1100℃，停留时间3-20min，优选火焰温度800-1000℃，停留时间8-15min。燃烧火焰采用的燃料为C1～C7的碳氢化合物中的一种或几种、醇类、酮类等可燃性物质，优选为乙醇火焰、甲醇火焰、甲烷火焰、丁烷火焰、庚烷火焰、丙酮火焰、乙炔火焰、乙烯火焰中的一种。
[0019]作为本专利技术的另一个方面，提供上述表面覆盖CNTs涂层的合金-复合材料摩擦焊接接头的制备方法，包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头，其特征在于，所述合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头包括合金、复合材料和中间层树脂薄膜；所述合金和复合材料为焊接母材；所述中间层树脂薄膜为热塑性树脂，中间层树脂薄膜作为熔融粘结剂设置在合金和复合材料之间；所述合金在焊接区域表面覆盖由多壁CNTs阵列组成的CNTs涂层，所述多壁CNTs阵列中的多壁CNTs平均长度为10-30μm。2.根据权利要求1所述的合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头，其特征在于，所述的合金为铝合金、镍铬合金、铁铬合金、镍铜合金中的一种；所述复合材料为增强材料增强的热塑性树脂基复合材料，或经过表面塑化处理的热固性树脂基复合材料；所述增强材料为无机颗粒、晶须、短纤维或连续纤维中的一种或几种；所述表面塑化处理采用一层热塑性的树脂薄膜或一层热塑性预浸料。3.根据权利要求2所述的合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头，其特征在于，所述复合材料为碳纤维增强聚苯硫醚层合板、玻璃纤维增强聚醚酰亚胺层合板、碳纤维增强聚醚酮层合板、碳纤维增强聚醚醚酮层合板、玻璃纤维增强聚醚醚酮层合板中的一种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头，其特征在于，所述合金的焊接区域表面覆盖的CNTs涂层的制备方法包括以下步骤：(1)喷涂催化剂:将催化剂溶液均匀喷涂在合金待焊接区域表面，烘干，得到负载催化剂的合金；(2)火焰法制备:将负载催化剂的合金置于燃烧火焰中，燃烧火焰温度为800-1100℃，停留时间3-20min，在合金表面生长出CNTs涂层，得到待焊接区域表面覆盖CNTs涂层的合金；其中，燃烧火焰采用的燃料为C1～C7的碳氢化合物中的一种或几种、醇类物质或酮类物质。5.根据权利要求4所述的合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔旭，田琳，王道晟，赵普，蒲永伟，熊需海，孟庆实，王朔，李晓东，张辰，许鹏，贺军，李威，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：