[发明专利]一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法

说明书

一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，属于航空材料连接技术领域。该方法采用火焰法合成工艺在轻质合金胶接区域表面原位生长碳纳米管层(CNT层)，在轻质合金和复合材料之间涂抹胶接剂进行胶接；其利用了CNT层同步增强胶接剂与轻质合金间界面强度以及胶层的本体强度，实现轻质合金和复合材料异质胶接接头力学性能的改善。本方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质合金和复合材料异质胶接领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及航空材料连接技术领域，特别涉及一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法。

背景技术

轻质合金和复合材料是航空领域最重要的两种结构材料；轻质合金和复合材料之间的连接技术是影响飞行器制造装配的关键技术之一。机械紧固连接是目前最主要的轻质合金和复合材料连接方式；然而栓接和铆接过程均需要对轻质合金和复合材料钻孔，该过程破坏了材料的完整性，降低连接母材本体力学强度；连接区域也存在极大的应力集中，影响连接头长期承载的稳定性。另外，大量螺栓和铆钉的使用导致结构件整体重量明显增加。胶接技术能够克服机械紧固连接存在的问题，然而，与机械紧固连接和焊接相比，胶接接头的耐久性和疲劳强度较低。胶层本体破裂以及胶接剂与轻质合金表面脱粘是轻质合金和复合材料异质胶接头最常见的失效模式。

基于此，通常采用磨损、喷砂等机械打磨、酸/碱/电化学刻蚀以及等离子或激光刻蚀等处理方法改变轻质合金表面的形貌和化学特性，提高胶接剂与轻质合金表面不规则凹坑间的机械互锁作用、物理吸附作用以及化学键接作用，从而强化粘结胶层与轻质合金界面强度。然而，这些处理方法对轻质合金本身性能有一定的损害；另外，处理过程需要特殊处理设备或造成环境污染。在胶接剂中添加碳纳米管(CNT)、石墨烯等纳米刚性粒子能够改善胶层的力学强度；然而，由于纳米粒子的团聚效益，导致其在胶接剂中难以均匀分散，影响胶接剂的施工工艺性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法。本发明解决技术问题的主要途径是通过火焰法合成工艺(催化剂与火焰发生作用)，在轻质合金胶接区域表面原位生长碳纳米管层(CNT层)，进而利用CNT层同步增强胶接剂与轻质合金间界面强度以及胶层的本体强度，从而实现轻质合金和复合材料异质胶接接头力学性能的改善。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质合金和复合材料异质胶接领域具有广泛的应用前景。

本发明的一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：

步骤1：轻质合金表面预处理

将轻质合金待胶接区域表面的氧化膜去除，得到预处理的轻质合金；

步骤2：火焰法制备CNT层

将催化剂溶液均匀喷涂在预处理的轻质合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的轻质合金；

将负载催化剂的轻质合金置于燃烧火焰中，在800～1100℃保持3～20min，轻质合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，得到负载CNT层的轻质合金；其中，燃耗火焰的燃料为C1～C7的碳氢化合物；

步骤3：胶接

将胶接剂均匀涂抹在负载CNT层的轻质合金的待胶接区域表面，与复合材料贴合，施加压力，采用胶接剂的固化工艺固化，得到轻质合金和复合材料的胶接结构。

其中，

所述的轻质合金为铝合金、钛合金、铝锂合金、铝镁合金中的一种。

所述的复合材料为增强纤维和树脂复合制备的复合材料。

所述的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种；所述的树脂为环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂或酚醛树脂中的一种。