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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,属于复合材料与金属板材界面及粘接。
技术介绍
1、纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、比刚度和低比重等优点,在航空、航天、船舶、汽车等领域得到了广泛的应用。在复合材料构件设计中,不可避免地要与金属相连接,这就给复合材料构件的使用和安装带来大量的连接技术问题,连接件又往往是整体结构的薄弱环节,复合材料结构件中有一半以上的破坏位置都发生在连接部位。传统的复合材料-金属连接方式有螺栓连接、胶接、螺栓+胶接混合连接等。通常层板螺栓连接时,螺栓孔必然使纤维打断,孔边存在明显应力集中,强度受到削弱;而胶接疲劳耐久性不好,一旦胶接界面剥离,结构承载能力急剧下降。
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提出一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,该方法中,飞秒激光与金属材料相互作用时,金属表面含有大量的自由电子,飞秒激光作用区域的自由电子吸收光子,在飞秒时间尺度加热。自由电子将能量传递给声子,在这个过程中电子系统温度逐渐降低,晶格温度逐渐升高。激光持续照射,当晶格温度高于材料的相变临界值时,材料通过熔化或气化发生相变,使金属快速熔化、去除,在金属表面形成所需要的毛刺结构和设定的表面形貌。通过飞秒激光毛化处理在金属板材表面形成斜齿状、蜂窝状、漩涡状、山丘状等形状毛刺,然后使用等离子处理,提高金属表面化学能及表面活性,增加金属板材与复合材料的层间结合强度,达到类似机械连接的效果,对复合材料的损
2、本专利技术的技术解决方案是:
3、一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,为提高毛化处理后金属表面化学能及表面活性,使用等离子二次处理。将复合材料预浸料直接铺放在毛化处理后的金属结构上,加温加压固化一体成型。金属表面的“毛刺”嵌入到复合材料中,使“毛刺”与复合材料尤其是与纤维之间相互作用形成机械互锁,可以增强金属与复材之间的界面强度,进而提高金属与复合材料连接部位的承载能力;金属表面飞秒激光刻蚀及与层压板复合制备技术,其特征在于将所述的与复合材料层压板接触的金属板表面采用飞秒激光刻蚀技术进行毛化处理,再用等离子体活化,然后将连续纤维增强树脂复合材料预浸料直接铺覆在处理后的金属表面,通过热压罐或模压成型工艺获得金属/复合材料层压板界面梯度复合的高强度组合体;
4、该方法的具体步骤包括:
5、步骤一,原料准备:将需要的金属板材,依次使用400、800、1200、1500、2000目砂纸对试样表面进行打磨,去除氧化层。使用工业级乙酸乙酯溶剂或丙酮进行清洗,根据所需制作板材的尺寸,将纤维预浸料裁切成合适大小。
6、步骤二:飞秒激光毛化:将清洗风干后的金属板材放入飞秒激光机真空室工作台,使用飞秒激光进行单面毛化。
7、步骤三:等离子处理:将毛化后的金属板材使用工业级乙酸乙酯溶剂或丙酮进行清洗后自然风干,使用低温空气等离子体处理设备,选用旋喷式等离子体处理喷头进行等离子处理。
8、步骤四:预浸料铺设:将金属板材毛化面正对纤维预浸料铺设,根据铺层设计将预浸料层层铺设;
9、步骤五:固化成型:将铺设完成的纤维预浸料及金属板材放入热压罐中固化。固化温度为80-140℃,固化时间为2h-3h。
10、步骤六:脱模裁边:将固化完成的板材进行裁边,去除表面料边。
11、进一步的步骤二中飞秒激光毛化工艺为:
12、(1)将需要的金属板材,依次使用400、800、1200、1500、2000目砂纸对试样表面进行打磨,去除氧化层,使用工业级乙酸乙酯溶剂或丙酮进行清洗,风干后放入飞秒激光机真空室工作台,启动飞秒激光机。
13、(2)飞秒激光机功率为10~1000w,激光脉宽200-800fs,束流直径为0.3~0.7mm,扫描速度为0.1~5m/s,频率为0.1~1hz。激光中心波长为300-900nm,f-θ镜的焦距为250-300mm,聚焦光斑半径为20-30μm,瑞利长度为2100-2400μm。
14、(3)按不同的设计路径扫描,毛化后可形成高度0.3-2.0mm,密度10-60个/cm3的斜齿状、蜂窝状、漩涡状、山丘状毛刺。
15、进一步的步骤三中的所述等离子处理工艺为:将激光毛化后的金属板材使用工业级乙酸乙酯溶剂或丙酮进行清洗后自然风干,使用低温空气等离子体处理设备,选用旋喷式等离子体处理喷头,喷头与金属板材表面距离为10mm,喷头移动速度为8mm/s,功率为800w,气体为空气,空气压力为0.7mpa,喷嘴直径为40mm。
16、进一步的步骤一中的所述金属板材为钢板、铝合金板或钛合金板。
17、进一步的步骤一中的所述纤维预浸料为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料或玄武岩纤维预浸料中的一种或多种混杂组成。
18、进一步的步骤四中的所述纤维预浸料为单向纤维预浸料、平纹预浸料、斜纹预浸料或多轴向预浸料。
19、进一步的所述连续纤维增强树脂复合材料为碳纤维连续纤维增强树脂复合材料、玻璃纤维连续纤维增强树脂复合材料、芳纶纤维连续纤维增强树脂复合材料或玄武岩纤维连续纤维增强树脂复合材料中的一种或多种混杂组成。
20、金属表面飞秒激光刻蚀及与层压板复合制备技术,将所述的与复合材料层压板接触的金属板表面采用飞秒激光刻蚀技术进行毛化处理,再用等离子体活化,然后将连续纤维增强树脂复合材料预浸料直接铺覆在处理后的金属表面,通过热压罐或模压成型工艺获得金属/复合材料层压板界面梯度复合的高强度组合体。
21、有益效果
22、(1)飞秒激光峰值功率大于1012w/cm2、脉冲宽度在飞秒量级(1fs=10-15s),与长脉冲激光或者连续激光相比,飞秒激光脉冲宽度远小于被加工材料的电子-晶格弛豫时间(10-10~10-12s),在晶格升温之前电子完成对光子能量的吸收,因此在加工过程中电子与晶格处于非平衡态,抑制了热扩散,进而极大地减小热影响区、降低重铸层厚度、减少表面微裂纹,通过调节波长、脉宽、扫描方式及速度可实现表面周期性波纹、高深径比微孔、微槽等点阵结构。
23、(2)通过飞秒激光对金属界面毛化处理,在金属表面形成多级微结构,然后再使用等离子处理,提高金属表面化学能及表面活性,进一步增加金属板材与复合材料的层间结合强度。这种连接方式比传统的同尺寸螺栓连接及胶接接头能承受更高的载荷,断裂前吸收的能量高,在复合材料结构承载和减重方面具有显著优势,有着潜在的应用前景。
24、(3)将预浸料直接铺覆在处理后的金属表面,通过热压罐或模压成型工艺获得金属/复合材料层压板界面梯度复合的高强度组本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于该方法的具体步骤包括:
2.根据权利要求1所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
3.根据权利要求1所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
4.根据权利要求2所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
5.根据权利要求2所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
6.根据权利要求2所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
【技术特征摘要】
1.一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于该方法的具体步骤包括:
2.根据权利要求1所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
3.根据权利要求1所述的一种基于金属表面飞秒激光刻蚀的复合材料与金属连接方法,其特征在于:
...【专利技术属性】
技术研发人员:张旭锋,孙维,李晓东,杨中甲,王祥林,施成旺,
申请(专利权)人:北京理工大学,
类型:发明
国别省市:
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