[发明专利]具有高焊接强度的热塑性复合材料含植入层感应焊接方法

说明书

本发明涉及一种具有高焊接强度的热塑性复合材料含植入层感应焊接方法，将SPEEK@CNT/CF/热塑性树脂复合薄膜作为植入层，对CF增强热塑性复合材料进行感应焊接，得到具有高焊接强度的热塑性复合材料连接件；所述SPEEK@CNT/CF/热塑性树脂复合薄膜的制备方法为：先将SPEEK修饰的CNT与热塑性树脂基体共混并压制成SPEEK@CNT/热塑性树脂薄膜，再将SPEEK@CNT/热塑性树脂薄膜与表面去浆的CF二维织物通过叠层模压制备得到SPEEK@CNT/CF/热塑性树脂复合薄膜；基于SPEEK@CNT/CF/热塑性树脂复合薄膜植入层的热塑性复合材料连接件的单搭接剪切强度为38～49MPa，经过30万次剪切方向拉伸疲劳试验后连接件的单搭接剪切强度为30～39MPa。本发明解决了现有技术中的方法制备而成的焊接接头的单搭接剪切强度较低、抗疲劳性能也较差的问题。

技术领域

本发明属于热塑性复合材料技术领域，涉及一种具有高焊接强度的热塑性复合材料含植入层感应焊接方法。

背景技术

近年来，热塑性树脂基复合材料发展速度非常快，其与热固性材料相比具有显著的优势，如可回收利用、高温使用性能好、制备过程无溶剂、抗冲击韧性高等，使之成为民用航空复合材料低成本化和高性能化的重要方向。与热固性材料相比，可降低制造成本30％以上。这将使复合材料制造业发生革命性的变化。目前，波音、空客等都在大力发展相关技术。应用于民机结构件制造的材料主要为连续碳纤维(CF)增强的聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)等热塑性复合材料。

热塑性复合材料在成型完成后依旧可以熔融，因此可以采用再次熔融并施压的方法达到热塑性零件的连接，即热塑性复合材料的焊接。相对于热固性复合材料领域常用的铆接和胶接技术，焊接是一项更加经济、快速、可靠的连接技术，同时又能实现减重目标，因此应用前景广阔。目前，热塑性复合材料常用的焊接技术有电阻焊接、超声焊接、激光焊接和感应焊接，这四种焊接技术原理不尽相同。其中的感应焊接技术由于存在小、快、灵等优势，被认为是热塑性复合材料最具有发展前景的焊接方式。其原理是：在待焊件附近提供某一形状具有交变电场的线圈，交变电场感生交变磁场，若待焊区域中存在导电回路，则会诱导产生内部涡流，通过电流发热使待焊接区域的热塑性树脂熔融并连接成整体。

CF增强复合材料感应焊接主要有两大类方法：1)不加植入层而依靠CF自身的导电性发热；2)加入感应植入导体。

第一类方法中，尽管CF自身可以导电，但由于越靠近线圈的地方磁感应强度越大，如果直接对CF增强复合材料进行感应焊接会出现一个严重的问题：待焊接面尚未熔融时，靠近线圈的表面已经过热烧糊了。包括本发明人团队在内的研究者们为此做了大量工作，例如通过风冷、水冷、加导热板等方法来降低表面温度，试图将最高温度面从表面移往焊接面。然而我们借助有限元计算发现，上述做法很难刚好将最高温度面锁定于焊接面，温度最高点往往出现在靠近表面的某处。这意味着如果要使复合材料焊接成功，必然有一部分复合材料内部树脂的温度超过焊接面的温度，对于加工温度窗口很窄的PPS、PEEK、PEKK等树脂，就很容易因过热而面临降解、交联等风险。尽管不影响接头强度，但却破坏了复合材料内部结构与强度，更关键的是从表面往往难以察觉，成为复合材料应用的风险。同时，这种方法将浪费很大一部分能耗，降低生产效率。