[发明专利]用于快速固化纳米复合粘合剂的射频加热

说明书

一种经由直接加热热固性粘合剂来连结两个构件的非接触方法包括向两个构件中的至少第一构件施加热固性粘合剂。热固性粘合剂包括在有电磁场的情况下反应的感受器。方法包括使两个构件中的第一构件和第二构件接近于电磁场放置。在一些方面，方法包括使第一构件和第二构件接近于电容器的电磁场放置。感受器与电磁场相互作用，以经由电阻加热来加热热固性粘合剂。在一些方面，热固性粘合剂的直接接触加热的方法包括将电极附接到包括粘合剂的膜。连结在一起的构件不由电磁场直接加热，且因此经历比热固性粘合剂更加低的温度。

相关申请的交叉引用

该申请要求享有于2017年11月21日提交的编号为62/589,298的美国临时专利申请的优先权益处且通过引用并入该申请的全部公开内容。

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

该发明在由国家科学基金会授予的批准号为CMMI-1561988的政府支持下完成。政府具有本发明中的某些权利。

背景技术

该部分提供背景信息以便于更好地理解本公开内容的各个方面。应理解的是，该文献的该部分中的声明要从该角度来阅读，且不作为对现有技术的承认。

纳米复合材料的焦耳加热引起了用于材料加工的许多独特应用，包括复合物的嵌入式固化、用于除冰应用的嵌入式加热元件以及3D打印零件的局部焊接。大多数的工作至今聚焦于电传导纳米复合材料的直流(DC)加热或微波加热。制造业需要其中零件几乎立即连结的点焊的基于粘合剂的等效物。

方法用于通过使用微波能量作为电磁源来固化载有传导纳米材料的热固性聚合物。然而，因为传导零件反射掉用来加热热固性粘合剂的微波能量，现有方法未能将两个传导零件连结在一起。

发明内容

在示例性实施例中，公开经由直接接触和电容耦合的电场施加器使用聚合物纳米复合材料的射频(RF)电磁加热的系统和方法。RF加热允许粘合剂内的感受器(susceptor)(例如，纳米复合材料)用电场来电阻加热，消除对于热源(诸如炉和加热枪)的需要。使用RF加热技术，零件可通过原地加热粘合剂本身来连结在一起。重要的是，RF加热技术直接加热粘合剂，而非连结在一起的构件，因为经由感受器的电阻加热，热量在粘合剂本身内生成。直接加热粘合剂而非直接加热所连结的构件是重要的，因为它消除或减小所连结的构件中的变形、翘曲和/或热膨胀系数的不匹配。

示例性方法在其中期望用热固性粘合剂快速结合结构构件的车辆和航空工业中特别有用。例如，本申请的RF加热技术可用来固化载有多壁碳纳米管(MWCNT)的车辆级环氧树脂。通过将粘合剂构件定为加热元件，避免热传递的限制，该限制通常需要昂贵的定制工具来将粘合剂加热到它的反应温度。由于直接加热环氧树脂复合物的热传递优势，用本RF方法固化的搭接(lap)剪切接头与在炉中固化的对照样品相比固化得更快。

因为传导零件反射掉用来加热热固性粘合剂的微波能量，现有方法未能将两个传导零件连结在一起。本方法通过使用连结在一起的结构构件作为电极来向复合粘合剂施加RF能量以克服该问题。

示例RF加热方法包括配制易受电磁能影响的载以纳米复合物的粘合剂，且向待连结的零件施加该粘合剂。在一些实施例中，夹持系统可用来使待由粘合剂连结的两个零件保持在一起。夹持压力应足以确保没有空隙形成。RF施加器可用来向粘合剂层提供所需要的场。调节射频放大器的输出以用于将RF有效地耦合到粘合剂。调节可通过频率调节、匹配网络或这两种方法的组合来完成。

示例性方法可以以两种方式中的一种来应用。第一方法是直接接触的方法，其中可使用粘合剂来将两个电传导零件连结在一起。向待连结的两个零件中的每个施加电极，其中一个电极接地且另一电极连接到“热”射频放大器输出。横跨电极施加RF信号来生成电磁场，该电磁场经由电阻加热来加热粘合剂。使用该方法，不直接加热所连结的零件。系统可调节以用于将RF有效地耦合到粘合剂，这可用频率调节、匹配网络或二者的组合来完成。