本發(fā)明涉及膠接技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝。
背景技術(shù):
堅持推動綠色可持續(xù)發(fā)展,大力推進節(jié)能減排降耗稱為“國家十二五規(guī)劃”的重要指導思想。輕量化是節(jié)能減排的重要方法之一,碳纖維增強型復合材料(carbonfiberreinforcedplastic/polymer,cfrp)以其輕而強、抗疲勞、抗腐蝕、生產(chǎn)能耗低等特性,已經(jīng)成為深度輕量化中主、次結(jié)構(gòu)件的首選材料,在大型飛機、風力發(fā)電葉片、汽車部件、石油開采抽油桿、電力輸送電纜等領(lǐng)域的應用增長迅速,為實現(xiàn)節(jié)能減排國家目標作出了重要貢獻。
碳纖維復合材料的廣泛使用,使得碳纖維復合材料的連接成為了一個重要的課題,也成為產(chǎn)品設計的關(guān)鍵,直接決定碳纖維輕量化應用的結(jié)果是否成功。因此很多原始設備制造商正致力于連接技術(shù)的研究。碳纖維材料連接常用的方法有:機械連接(螺栓連接、鉚接)和膠連接兩種。機械連接有施工簡單、便于檢查、受環(huán)境影響小等優(yōu)點,但同時打孔等機加工會切斷碳纖維材料的纖維,使材料本身的各向異性嚴重、韌性差、缺口敏感度高等弱點更加突出,容易形成嚴重的應力集中從而導致脆性破壞。膠連接,簡稱膠接,是借助膠接劑將零件連接為不可拆卸的整體,具有受力面大承載能力強,應力分布均勻,防止電化學腐蝕等優(yōu)點,更重要的是相對于機械連接,膠接無需機械緊固件(如螺釘、螺母等),不會因打聯(lián)接孔破壞纖維連續(xù)性,從而充分利用材料的全部強度,同時也較好地規(guī)避了碳纖維本身的各向異性嚴重、韌性差、缺口敏感度高等問題。因此,膠連接比機械連接更廣泛地應用于碳纖維先進復合材料的連接設計中,成為了解決其輕量化連接的關(guān)鍵技術(shù)之一。
膠接工藝中膠接強度和穩(wěn)定性問題一直是人們關(guān)注的焦點。盡管膠接工藝也存在易老化、固化周期長、耐熱性較低等問題,這些問題基本上可以通過開發(fā)新型膠接劑而得到緩解和克服。但對于膠接強度難控制和強度分散性大的問題,卻無辦法單純通過采用新膠接劑材料而解決,不論是采用何種膠水都沒有辦法改變膠接工藝難以控制與膠接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題,這些問題是由膠接工藝本身所產(chǎn)生的,因此必須從膠接工藝本身來解決。目前,不少學者采用被動強化的方法,即通過化學、物理方法對碳纖維復合材料的膠接表面進行處理改善膠接界面的潤濕性以提高碳纖維復合材料的膠連接強度、穩(wěn)定性。但是采用被動強化方法,仍然存在無法對碳纖維的膠接過程進行外部控制進而保證其穩(wěn)定性的缺陷。
采用環(huán)氧膠、聚氨酯膠等粘接劑液體直接粘接碳纖維等復合材料與鋁板等金屬材料,一方面粘接劑液體中含有揮發(fā)性物質(zhì)、污染環(huán)境,另一方面使用粘接劑液體膠接碳纖維等復合材料與鋁板等金屬材料的過程中,膠接區(qū)域非常容易出現(xiàn)氣泡等嚴重影響膠接強度的缺陷,而且膠接區(qū)域中氣泡的出現(xiàn)非常偶然與不可控,這嚴重影響著產(chǎn)品膠接的穩(wěn)定性,從而制約著膠接產(chǎn)品的推廣與發(fā)展。膠膜是無溶劑的固體,不會有揮發(fā)物,無污染,加工操作方便,且粘接方便。因此開始出現(xiàn)通過膠膜采用熱壓粘接工藝實現(xiàn)膠接。但是熱壓粘接工藝中,存在高溫壓頭傳熱的方式將導致膠膜受熱不均勻,造成膠膜固化程度與被粘接面粘接強度不均勻等問題,且采用熱壓膠膜粘接工藝的過程中,在一定的壓力與溫度下膠膜會軟化、流動,從而在膠接區(qū)域產(chǎn)生氣泡,最終影響膠接的可靠性與穩(wěn)定性。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝,旨在避免高溫壓頭傳熱的方式導致膠膜受熱不均勻,造成膠膜固化程度與被粘接面粘接強度不均勻的問題。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝,包括以下步驟:
將碳纖維板和金屬板放置于定位夾具中,使金屬板放置于碳纖維板的上方;
將金屬板進行加熱使其溫度達到膠膜軟化溫度的75%~85%;
將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板之間的膠接區(qū)域;
通過超聲波振動工具頭對碳纖維板指定區(qū)域施加間歇性超聲波振動,同時對金屬板進行持續(xù)加熱;
上升所述超聲波振動工具頭,將膠接件連同定位夾具一起放置鼓風干燥箱中一段時間直至其固化。
優(yōu)選地,所述通過超聲波振動工具頭對碳纖維板指定區(qū)域施加間歇性超聲波振動,同時對金屬板進行持續(xù)加熱的步驟中,對金屬板進行持續(xù)加熱使其溫度達到膠膜軟化溫度的75%~85%。
優(yōu)選地,使用熱壓板和加熱平臺分別對金屬板的上下端進行加熱,該熱壓板的寬度與金屬板的寬度相同。
優(yōu)選地,將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板之間的膠接區(qū)域具體包括:
上升熱壓板,在將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板之間的膠接區(qū)域后,下降熱壓板以提供膠膜一定的預壓緊力。
優(yōu)選地,所述熱壓板的面積大于金屬板與碳纖維板之間的膠接區(qū)域的面積。
優(yōu)選地,所述將碳纖維板和金屬板放置于定位夾具中,使金屬板放置于碳纖維板的上方的步驟之前還包括:
對碳纖維板和金屬板上膠接區(qū)域的表面部分進行打磨處理;
對打磨后的碳纖維板和金屬板表面進行清洗處理。
優(yōu)選地,采用氧化鋁布基紅色砂紙打磨碳纖維板和金屬板上膠接區(qū)域的表面部分。
優(yōu)選地,使用具有乳化作用的清洗劑、清水以及丙酮先后對打磨后的碳纖維板和金屬板表面進行清洗處理。
優(yōu)選地,金屬板為鋁板。
本發(fā)明提出的基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝具有以下有益效果:
1.首次將超聲波振動應用于碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜粘接工藝中,改善碳纖維復合材料與金屬板材的粘接劑粘接工藝、超聲波振動輔助碳纖維復合材料與金屬板材的粘接劑粘接工藝出現(xiàn)的粘接強度不穩(wěn)定的問題;
2.將超聲波振動應用于碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜粘接工藝中,改善了碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜熱壓粘接工藝中存在的粘接面潤濕不完全以及粘接界面上存在氣泡的問題。
附圖說明
圖1為本發(fā)明基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝使用的超聲波工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝使用的定位夾具的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝的流程示意圖。
圖中,1.氣泵;2.氣缸;3.圓柱導軌;4.變幅桿;5.加熱平臺;6.氣缸活塞;7.超聲波發(fā)生器;8.超聲波換能器;9.超聲波振動工具頭;10.定位夾具;11.碳纖維板;12.鋁板;13.熱壓板;14.施加超聲波振動的位置。
本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例,參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
參照圖1至圖3,本優(yōu)選實施例中,一種基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝,包括以下步驟:
步驟s10,將碳纖維板11和金屬板放置于定位夾具10中,使金屬板放置于碳纖維板11的上方;
步驟s20,將金屬板進行加熱使其溫度達到膠膜軟化溫度的75%~85%;
步驟s30,將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板11之間的膠接區(qū)域;
步驟s40,通過超聲波振動工具頭9對碳纖維板11指定區(qū)域施加間歇性超聲波振動,同時對金屬板進行持續(xù)加熱;
步驟s50,上升所述超聲波振動工具頭9,將膠接件連同定位夾具10一起放置鼓風干燥箱中一段時間直至其固化。
本實施例中,使用的膠膜厚度略微大于金屬板與碳纖維板11之間的縫隙的厚度。
具體地,步驟s40中,對金屬板進行持續(xù)加熱使其溫度達到膠膜軟化溫度的75%~85%。根據(jù)膠膜材質(zhì)不同,膠膜的軟化溫度也不同(一般情況下80%軟化溫度區(qū)間為:130-160℃)。在膠接過程中,將膠膜的溫度保持在軟化溫度的75%~85%是因為:在超聲波振動作用下,膠膜的溫度會上升10%左右,仍未達到軟化溫度,所以,將此溫度控制在75%~85%避免了在膠接過程中采用熱壓膠膜粘接工藝時在一定的壓力與溫度下膠膜會軟化、流動,從而在膠接區(qū)域產(chǎn)生氣泡,最終影響膠接的可靠性與穩(wěn)定性的問題。在超聲波作用下,膠膜會對粘接面產(chǎn)生很好的潤濕作用,從而增大了膠接強度。
具體地,使用熱壓板13和加熱平臺5分別對金屬板的上下端進行加熱,該熱壓板13的寬度與金屬板的寬度相同。加熱平臺5放置于定位夾具10的下方,以對定位夾具10整體進行加熱,定位夾具10再將熱傳遞至金屬板的下方。熱壓板13的面積大于金屬板與碳纖維板11之間的膠接區(qū)域的面積。加熱平臺5與熱壓板13均設置有加熱模塊。本實施例中,金屬板的下方設置有墊塊,熱壓板13的左端與膠接區(qū)域的左端對齊,右端與墊塊左端之間距離為5mm以上。因為如果熱壓板13不壓墊塊,那在壓力作用下膠膜會被壓扁。
步驟s30具體包括:上升熱壓板13,在將膠膜鋪展放置在金屬板與碳纖維板11之間的膠接區(qū)域后,下降熱壓板13以提供膠膜一定的預壓緊力。
進一步地,參照圖1,在步驟s10之前還包括:
步驟s01,對碳纖維板11和金屬板上膠接區(qū)域的表面部分進行打磨處理;
步驟s02,對打磨后的碳纖維板11和金屬板表面進行清洗處理。
具體地,采用氧化鋁布基紅色砂紙打磨碳纖維板11和金屬板上膠接區(qū)域的表面部分。使用具有乳化作用的清洗劑、清水以及丙酮先后對打磨后的碳纖維板11和金屬板表面進行清洗處理。
下面以金屬板為鋁板12為例具體說明。本基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝是在超聲波工作臺上進行的。該工作臺主要包括氣泵1、氣缸2、圓柱導軌3、變幅桿4、實驗臺、氣缸活塞6、超聲波發(fā)生器7、超聲波換能器8、超聲波振動工具頭9、定位夾具10等部件。本實施例中,膠接樣件的尺寸是參考astmd5868-01標準,其中,碳纖維板11的尺寸為101.6×25.4×2.5mm,鋁板12的尺寸為101.6×25.4×1.5mm,膠接區(qū)域的尺寸為25.4×25.4×0.2mm。具體工藝過程如下。
采用氧化鋁布基紅色砂紙均勻打磨碳纖維板11、鋁板12膠接區(qū)域的表面部分,然后使用具有乳化作用的清洗劑、清水、丙酮等液體分別先后對打磨后的碳纖維板11、鋁板12表面進行清洗處理;
將碳纖維板11和鋁板12放置于定位夾具10中定位后,調(diào)整定位夾具10在實驗平臺上的位置,使超聲波振動工具頭9下降之后可以落在設置好的施加振動的區(qū)域;
調(diào)整熱壓板13的高度,使熱壓板13底部與鋁板12剛好接觸,開啟加熱平臺5與熱壓板13的加熱模塊,使碳纖維板11與鋁板12的溫度達到膠膜軟化溫度的80%;
上升熱壓板13,將膠膜鋪展放置在膠接區(qū)域,然后下降熱壓板13,并提供膠膜一定的預壓緊力;
設置超聲波振動頻率、振動幅度、振動壓力和振動時間后,下降超聲波振動工具頭9到施加振動的位置,進行間歇性超聲波振動,在此過程中,加熱平臺5與熱壓板13的溫度仍然設置為膠膜軟化溫度的80%;
上升超聲波振動工具頭9和熱壓板13,將膠接件連同定位夾具10一起放置鼓風干燥箱中一段時間,直至其固化。
本實施例提出的基于超聲波振動輔助碳纖維和金屬板的膠接工藝具有以下有益效果:
1.首次將超聲波振動應用于碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜粘接工藝中,改善碳纖維復合材料與金屬板材的粘接劑粘接工藝、超聲波振動輔助碳纖維復合材料與金屬板材的粘接劑粘接工藝出現(xiàn)的粘接強度不穩(wěn)定的問題;
2.將超聲波振動應用于碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜粘接工藝中,改善了碳纖維復合材料與金屬板材的膠膜熱壓粘接工藝中存在的粘接面潤濕不完全以及粘接界面上存在氣泡的問題。
以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例,并非因此限制本發(fā)明的專利范圍,凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換,或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域,均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。