[发明专利]一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理装置及方法

说明书

本发明公开一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理装置，包括加工室、飞秒激光刻蚀组件，加工室内能够容纳待处理金属，飞秒激光刻蚀组件能够在待处理金属表面加工出微结构，加工室具有进气口，进气口与外部氧气来源相连通。本发明还提供一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理方法，在氧气环境下，利用飞秒激光刻蚀方式在待处理金属上加工出微结构，并在待处理金属表面生成致密氧化层。在氧气环境下对待处理金属表面进行加工，在待处理金属表面预制微结构的同时，令其表面生成致密氧化层，在金属材料与热塑性复合材料连接时，可同时实现机械连接和化学键连接，实现异质结构界面结合强度的协同增强，有效提高连接接头的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及异质结构连接技术领域，特别是涉及一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理装置及方法。

背景技术

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料与铝合金、钛合金等金属的异质结构符合轻量化设计的要求，在汽车、航空航天、电子封装等领域的需求日益强烈，是现代装备制造中实现低成本和轻量化制造的重要途径。

热塑性树脂基复合材料与金属异质结构中最薄弱部分往往位于接头连接区域，接头连接质量直接决定着异质结构的强度和使用寿命。目前异质结构常用的连接方法主要有机械连接、胶接、混合连接、激光连接、超声波辅助焊、摩擦点焊、感应焊等。这些方法都存在一定的缺陷。机械连接会造成应力集中、聚合物对缺口敏感易产生微裂纹。胶接对材料待粘接表面预处理要求较高且容易造成环境污染。由于金属与热塑复合材料之间物理化学性质的巨大差异性界面结合困难，使得焊接连接得到得连接接头强度较低。为了提升连接接头的强度，在激光连接、超声波辅助焊、感应焊等工艺中，大多通过在金属表面预制微结构的方法使连接界面形成机械锚固作用，通过增强界面机械结合来提高连接接头力学性能。在金属表面预制微结构的方法包括化学处理、机械加工、激光加工等。对复合材料树脂基表面或金属表面进行改性，比如在碳纤维增强复合材料表面进行紫外光接枝处理或者在低碳钢表面镀铬、铝合金表面阳极氧化等方法提高连接界面的化学键结合强度，也可在一定程度实现接头强度提升。然而采用单一的界面增强方法，一方面界面增强效果有限，另一方面也存在微结构存在缺陷、工艺可控性较差等问题。

因此，如何改变现有技术中，异质结构连接过程中，材料预处理对异质结构连接强度提升助益不佳的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，增强异质结构接头连接强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理装置，包括加工室、飞秒激光刻蚀组件，所述加工室内能够容纳待处理金属，所述飞秒激光刻蚀组件能够在所述待处理金属表面加工出微结构，所述加工室具有进气口，所述进气口与外部氧气来源相连通。

优选地，所述加工室为顶部开口结构，所述飞秒激光刻蚀组件位于所述待处理金属的顶部，所述进气口位于所述加工室的侧壁的底部。

优选地，所述加工室的外部套设有加工套，所述加工室和所述飞秒激光刻蚀组件均设置于所述加工套内，所述加工套连接有抽气组件，所述抽气组件能够抽取所述加工室内的空气。

优选地，所述飞秒激光刻蚀组件包括飞秒激光器和扫描振镜，所述飞秒激光器的出射激光光束能够对所述待处理金属进行加工；所述扫描振镜能够控制所述飞秒激光器的出射激光光束的加工路径。

本发明还提供一种热塑性复合材料与金属异质结构的预处理方法，在预定浓度的氧气环境下，利用飞秒激光刻蚀方式在所述待处理金属上加工出微结构，以同时在所述待处理金属表面生成致密氧化层。

优选地，所述待处理金属表面生成的致密氧化层的厚度为5-10μm。

优选地，所述预定浓度为40％-90％。

优选地，所述待处理金属表面加工出的微结构具有凸起和凹陷。