[发明专利]CNT阵列修饰发热元件及其复合材料电阻焊接头和制法

说明书

一种CNT阵列修饰发热元件及其复合材料电阻焊接头和制法，该CNT阵列修饰发热元件为表面负载CNT阵列的金属丝网，其制备方法为：通过催化剂在火焰中的催化作用在金属丝网表面原位生长CNT阵列，并将携带有CNT阵列的新型金属丝网作为发热元件应用于热塑性复合材料的电阻焊接工艺过程中。该CNT阵列修饰发热元件有利于使电阻焊接过程中热量传递更加均匀、提高焊接效率，同时利用CNT优异的力学性能增强电阻焊接头强度。本制备方法简单快捷，成本极低，在航空、航天、汽车等复合材料连接领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及复合材料连接技术领域，特别涉及一种CNT阵列修饰发热元件及其复合材料电阻焊接头和制法。

背景技术

先进复合材料是指由高性能连续纤维与聚合物复合并通过特定的工艺制备的多相材料，具有轻质高强高模、耐高温、抗疲劳、可设计及尺寸稳定性等特性，已取代航空铝材成为航空航天主承力结构的首选材料。随着复合材料成型技术的不断进步，先进复合材料构件的发展方向是力求实现结构的整体性。但是由于受结构设计和工艺的限制，仍需安排一定的结构分离面和工艺分离面，所以构件之间装配连接是必不可少的环节。通常复合材料连接部位是整体结构的薄弱环节，数据表明，复合材料结构件中一半以上的破坏都发生在连接部位。由此可见，复合材料的连接头设计及连接工艺技术是复合材料应用中重要的组成部分，在某些场合甚至还成为产品设计的关键。

复合材料零件之间或者复合材料与金属零件之间传统的连接方法包括：胶接、机械连接和混合连接三种方法。复合材料机械连接具有易于质量控制、便于装卸、安全可靠、强度分散性小、载荷传递性能好等优点；同时也存在由于开孔引起应力集中、连接效率低以及增加紧固件重量等缺点；机械连接一般会使结构件增重20％左右。胶接连接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸的整体，不同于机械连接，胶接连接无需开孔，且具有效率高、结构重量轻的优点，非常适合异形、异质、薄壁、复杂的零件的连接。但胶接连接质量控制比较困难；固化时间长；胶接头性能易受环境(湿、热、腐蚀介质)的影响；胶接连接后一般不可拆卸。

为了克服复合材料胶接工艺和机械连接存在的问题，近年来兴起了复合材料焊接技术；其主要是将电、光、电磁、超声等能量转变成热量，对两种或两种以上同种或异种材料加热使母材熔化或者发生塑性变形，通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺。焊接技术在飞机复合材料零部件装配和修复过程中是一项非常快速和短周期的连接技术。

电阻植入焊接技术(简称，电阻焊)具有设备简单、操作方便、加热速度块等优点，是理想的热塑性复合材料焊接方法。金属丝网是复合材料电阻焊过程中常用的发热元件，然而金属丝网与焊接区域树脂的界面粘结强度低，导致复合材料焊接头的承载能力下降。另外，由于金属丝表面和网孔中心位置存在明显的温度差，导致热塑性树脂不能同步熔融；当焊接区域热塑性树脂达到完全熔融时，金属丝表面树脂将出现明显热降解，这进一步导致界面的粘结强度下降。因此，开发一种新型的复合材料电阻焊接头，提高发热元件发热的均匀性以及金属丝与树脂界面粘结强度具有重要的现实意义。

本发明拟通过火焰法合成工艺在金属丝网表面原位生长碳纳米管(CNT)阵列，以CNT阵列修饰的金属丝网作为发热元件，利用CNT优异的力学性能和导电、导热功能同步改善金属丝网的发热特性以及金属丝网和树脂界面粘结强度。本发明预期在航空航天、交通运输领域具有广泛应用前景。

发明内容