【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热塑性复合材料焊接，尤其涉及一种热塑性碳纤维复合材料焊料、制备及焊接方法。
技术介绍
1、碳纤维增强热塑性树脂基复合材料因其具有高成型效率、高损伤容限以及易回收等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。相较于传统的金属材料，复合材料具有各向异性以及各相材料间存在界面等特性，使复合材料之间的连接变得复杂。常规的复合材料连接方式主要为胶接或机械连接，然而复合材料胶接强度偏低，不能满足使用需要，而机械连接不仅会增加结构的重量，同时会导致应力集中现象，使复合材料结构易发生损伤，且抗疲劳性能降低。
2、基于热塑性复合材料具有加热熔融、冷却硬化的特性，可以通过电阻焊接的方式实现热塑性复合材料的连接，该方法焊接效率高，成本低且过程可控，显示出了极大的应用潜力。现有的电阻焊接方法通常采用不锈钢网为焊料，通过在不锈钢网两端施加电压使其发热，从而使复合材料熔融并压制成型，该方法会在复合材料层间引入异质材料，导致复合材料力学性能的降低。专利“一种基于碳纳米管薄膜的热塑性复合材料焊接方法”(专利申请号：202210807474.1)采用了碳纳米管(cnt)薄膜作为加热元件并额外增加树脂薄膜用于热塑性复合材料的焊接，在一定程度上克服了不锈钢网作为焊料带来的缺点，但仍存在以下缺陷：
3、(1)由于cnt薄膜与树脂薄膜的引入，会导致焊接区域的树脂含量发生变化，使复合材料焊接区域力学性能存在退化的风险；
4、(2)树脂薄膜导热性较差，不能很好地将热量传递到待焊接的复合材料工件上，使焊接区域的温度场不均匀而影响焊
5、(3)碳纳米管薄膜不易被树脂浸润，导致焊接区域易存在空隙等缺陷，使力学性能下降；
6、(4)未对焊接区域的降温过程进行控制，易在焊接区域产生残余应力，导致材料发生形变，进而影响材料性能。
7、基于以上问题，亟需开发一种能够用于热塑性碳纤维复合材料的电阻焊接方法，且能够保证焊接区域具有良好力学性能的焊料，以满足热塑性碳纤维复合材料焊接的使用需求，为热塑性复合材料在航空航天领域的大规模应用奠定基础。
8、本专利技术所要解决的技术问题：
9、(1)现有热塑性碳纤维复合材料焊接技术引入异质材料，导致焊后的复合材料零部件力学性能退化；
10、(2)热塑性碳纤维复合材料焊接区域树脂含量易发生变化，导致焊后的复合材料零部件力学性能下降；
11、(3)热塑性碳纤维复合材料焊接区域温度场不均匀，导致焊接区域焊接质量差；
12、(4)热塑性碳纤维复合材料焊接后复合材料零部件中存在热应力，导致焊接后的复合材料零部件力学性能与尺寸稳定性差。
技术实现思路
1、本专利技术首次提出一种在焊接过程中对热塑性复合材料结晶行为进行调控的焊接方法；为改善热塑性复合材料焊接区域的焊接质量，提高焊接区域的力学性能，优化焊接后复合材料零件的尺寸稳定性，本专利技术首创一种导热性优良的热塑性复合材料焊料，该焊料与热塑性碳纤维复合材料具有良好的相容性，同时能够使焊接区域温度场更为均匀，有效满足热塑性复合材料焊接的使用需求。
2、本专利技术的技术方案如下：一种热塑性碳纤维复合材料焊料，由热塑性树脂和碳纤维复合而成；所述热塑性树脂与待焊接复合材料基体相同；所述碳纤维呈丝状，热塑性树脂覆盖于多条碳纤维上；碳纤维丝束两端裸露；所述碳纤维和热塑性树脂中至少一者进行改性；改性的碳纤维为碳纤维表面采用纳米材料修饰；改性的热塑性树脂采用高导热纳米材料进行修饰。
3、所述高导热纳米材料为氮化硼bn、氮化硅sin、氮化铝aln、氧化铝al2o3、氧化镁mgo、氧化锌zno、碳化硅sic、碳纳米管cnt、石墨烯gr、氧化石墨烯go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上；尺寸为10～500nm。
4、所述纳米材料为碳、碳纳米管cnt、石墨烯gr、氧化石墨烯go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上。
5、所述热塑性树脂为聚醚酮pek、聚醚醚酮peek、聚醚酮酮pekk、聚醚醚酮酮peekk、聚苯硫醚pps、聚酰亚胺pi、聚醚酰亚胺pei、聚酰胺pa中的一种或两种以上。
6、一种热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，对热塑性树脂进行加热、溶解或研磨处理后，加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料并混合均匀，经处理获得高导热纳米材料修饰的树脂基体；通过熔融浸渍、溶剂浸渍或粉末浸渍，使改性后的热塑性树脂基体渗透浸渍经过改性的碳纤维材料或未经改性的碳纤维材料，经过辊压后得到热塑性碳纤维复合材料焊料。
7、所述加热处理为：将热塑性树脂加热到高于熔融温度0～100℃范围内，使其成粘流态树脂基体，向其中加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料，通过密炼或混炼，使高导热纳米材料均匀地分散在树脂基体中，得到高导热纳米材料修饰的树脂基体；
8、所述溶解处理具体为：将热塑性树脂在溶剂中溶解获得树脂溶液，树脂溶液的浓度为0.1wt％～80wt％，向该树脂溶液中加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料，采用磁力搅拌、机械搅拌、三辊机或行星混料机中的一种或两种以上处理后，使高导热纳米材料在树脂溶液中均匀分散；然后通过加热挥发溶剂或采用相反转法去除溶剂并烘干，得到高导热纳米材料修饰的树脂基体；
9、所述研磨处理具体为：将热塑性树脂研磨成尺寸为50nm～500μm的粉末，并向其中加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料，继续研磨至高导热纳米材料与热塑性树脂混合均匀，得到高导热纳米材料修饰的树脂基体。
10、所述改性碳纤维的改性方法包括两种：一种为将碳纤维材料置于500℃～1000℃的化学气相沉积炉中，向其中通入氩气、乙炔与氢气，气体的流量为5～150ml/min，处理2～50小时，在碳纤维表面沉积碳纳米材料，得到改性的碳纤维材料；
11、另一种为配置浓度为0.01wt％～1wt％的纳米材料的水醇溶液，其中水与乙醇的体积比为0.1～10，向该纳米材料的水醇溶液中加入质量分数为0.0001％～1％的表面活性剂，使纳米材料均匀分散；将上述纳米材料的水醇溶液与碳纤维材料共同放入电泳池中，碳纤维作为阳极，在1～50v的电压下电泳1～60min后，烘干，得到纳米材料修饰的碳纤维材料。
12、一种热塑性碳纤维复合材料焊料的焊接方法，将热塑性碳纤维复合材料焊料夹持在与其具有相同树脂基体的两个待焊接热塑性复合材料工件之间，在待焊接热塑性复合材料工件两侧施加1kpa～3mpa的压力；将热塑性碳纤维复合材料焊料两端裸露的碳纤维连接电源，并施加电压，使碳纤维在电流的作用下发热；电流产生的热量熔融热塑性碳纤维复合材料焊料中的树脂，热塑性碳纤维复合材料中含有的高导热纳米材料，将热量传导到待焊接热塑性复合材料工件表面，热塑性复合材料工件中的树脂发生熔融；热塑性碳纤维复合材料焊料温度升至高于树脂熔融温度的+0～100℃的范围内，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，该热塑性碳纤维复合材料焊料由热塑性树脂和碳纤维复合而成；所述热塑性树脂与待焊接复合材料基体相同；所述碳纤维呈丝状，热塑性树脂覆盖于多条碳纤维上；碳纤维丝束两端裸露；所述碳纤维和热塑性树脂中至少一者进行改性；改性的碳纤维为碳纤维表面采用纳米材料修饰；改性的热塑性树脂采用高导热纳米材料进行修饰。
2.根据权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述高导热纳米材料为氮化硼BN、氮化硅SiN、氮化铝AlN、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化锌ZnO、碳化硅SiC、碳纳米管CNT、石墨烯Gr、氧化石墨烯Go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上；尺寸为10～500nm。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述纳米材料为碳、碳纳米管CNT、石墨烯Gr、氧化石墨烯Go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上。
4.根据权利要求3所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚醚酮PEK、聚醚醚酮
5.一种热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，其特征在于，对热塑性树脂进行加热、溶解或研磨处理后，加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料并混合均匀，经处理获得高导热纳米材料修饰的树脂基体；通过熔融浸渍、溶剂浸渍或粉末浸渍，使改性后的热塑性树脂基体渗透浸渍经过改性的碳纤维材料或未经改性的碳纤维材料，经过辊压后得到热塑性碳纤维复合材料焊料。
6.根据权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，其特征在于，所述加热处理为：将热塑性树脂加热到高于熔融温度0～100℃范围内，使其成粘流态树脂基体，向其中加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料，通过密炼或混炼，使高导热纳米材料均匀地分散在树脂基体中，得到高导热纳米材料修饰的树脂基体；
7.根据权利要求6所述的热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，其特征在于，所述改性碳纤维的改性方法包括两种：一种为将碳纤维材料置于500℃～1000℃的化学气相沉积炉中，向其中通入氩气、乙炔与氢气，气体的流量为5～150ml/min，处理2～50小时，在碳纤维表面沉积碳纳米材料，得到改性的碳纤维材料；
8.一种热塑性碳纤维复合材料焊料的焊接方法，其特征在于，将热塑性碳纤维复合材料焊料夹持在与其具有相同树脂基体的两个待焊接热塑性复合材料工件之间，在待焊接热塑性复合材料工件两侧施加1kPa～3MPa的压力；将热塑性碳纤维复合材料焊料两端裸露的碳纤维连接电源，并施加电压，使碳纤维在电流的作用下发热；电流产生的热量熔融热塑性碳纤维复合材料焊料中的树脂，热塑性碳纤维复合材料中含有的高导热纳米材料，将热量传导到待焊接热塑性复合材料工件表面，热塑性复合材料工件中的树脂发生熔融；热塑性碳纤维复合材料焊料温度升至高于树脂熔融温度的+0～100℃的范围内，保温保压；待焊接热塑性复合材料工件中的树脂基体熔融后，设置压力为1～30MPa，保持5～120s，使待焊接热塑性复合材料与热塑性碳纤维复合材料焊料充分熔接后，调整碳纤维两端的电压使焊接区域开始降温并控制其降温速率，采用非接触测温方法获得焊接区域的降温速率，焊接区域降至室温后，卸压，并对焊接后的复合材料零部件进行修整，去除多余物，得到焊接后的完整的复合材料零部件。
9.根据权利要求8所述的热塑性碳纤维复合材料焊料的焊接方法，其特征在于，所述初始施加的电压为1～50V；所述保温保压时间为10～200s；所述降温阶段的电压为0.1～30V；所述降温速率为0.1～10℃/min。
...【技术特征摘要】
1.一种热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，该热塑性碳纤维复合材料焊料由热塑性树脂和碳纤维复合而成；所述热塑性树脂与待焊接复合材料基体相同；所述碳纤维呈丝状，热塑性树脂覆盖于多条碳纤维上；碳纤维丝束两端裸露；所述碳纤维和热塑性树脂中至少一者进行改性；改性的碳纤维为碳纤维表面采用纳米材料修饰；改性的热塑性树脂采用高导热纳米材料进行修饰。
2.根据权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述高导热纳米材料为氮化硼bn、氮化硅sin、氮化铝aln、氧化铝al2o3、氧化镁mgo、氧化锌zno、碳化硅sic、碳纳米管cnt、石墨烯gr、氧化石墨烯go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上；尺寸为10～500nm。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述纳米材料为碳、碳纳米管cnt、石墨烯gr、氧化石墨烯go、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属碳氮化物中的一种或两种以上。
4.根据权利要求3所述的热塑性碳纤维复合材料焊料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚醚酮pek、聚醚醚酮peek、聚醚酮酮pekk、聚醚醚酮酮peekk、聚苯硫醚pps、聚酰亚胺pi、聚醚酰亚胺pei、聚酰胺pa中的一种或两种以上。
5.一种热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，其特征在于，对热塑性树脂进行加热、溶解或研磨处理后，加入质量分数为0.1％～5％的高导热纳米材料并混合均匀，经处理获得高导热纳米材料修饰的树脂基体；通过熔融浸渍、溶剂浸渍或粉末浸渍，使改性后的热塑性树脂基体渗透浸渍经过改性的碳纤维材料或未经改性的碳纤维材料，经过辊压后得到热塑性碳纤维复合材料焊料。
6.根据权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料焊料的制备方法，其特征在于，所述加热处理为：将热塑性树脂加热到高于熔融温度0～100℃范围内...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵岳，马刚，王昭军，孟庆杰，焦亦彬，马秘辉，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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