CN109822910A - 一种复合材料连接单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够避免胶接、机械连接和以金属件作为焊接原件产生的缺陷的复合材料连接单元。该复合材料连接单元包括焊接区、过渡区、连接区、控制区；所述焊接区的两侧均设置有过渡区；所述过渡区的一侧设置有连接区；所述过渡区位于焊接区与连接区之间。采用该复合材料连接单元能够实现热塑性复合材料的快速连接及修复、操作便捷；同时，对操作人员、工况及装备要求低、可适用于平板及单曲率结构、焊接成本低、自增强连接、模块化、可以实现批量化应用。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料连接技术领域，尤其是一种复合材料连接单元。
背景技术
众所周知的：复合材料连接技术在复合材料结构中起着重要作用，其主要有三种连接类型：胶接、机械连接和混合连接；上述连接方式，均有明显的连接界面，不能体现结构的整体性，在受载方面存在一定的缺陷。
申请号201810206549.4的专利公开了碳纤维复合材料立体桁架的胶接装配方法，其通过胶接的方式将主体结构和压紧接头及斜接头连接在一起；该连接方式存在以下缺陷：胶接强度分散性大，剥离强度低，不能传递较大的载荷。
申请号201711257277.2的专利公开了一种SiC/SiC复合材料的连接方法，其采用螺钉连接，起到了紧固连接的作用；但是机械连接存在以下缺陷：由于复合材料开孔使连续纤维被切断，破坏材料的整体性，并导致孔边出现应力集中，导致承受载荷的能力大幅度降低。
申请号201210006602.9的专利公开了增强电热熔带及其连接塑料管道的连接结构和连接方法，其采用金属丝网或金属孔板通过其连接电源来连接塑料管道；该性能连接方式存在以下缺点：金属与树脂基体界面结合性差。
针对上述连接产生的缺陷，本发明设计了一种复合材料连接单元。而本发明采用的热塑性材料电阻焊接，属于本体焊接，焊接后材料呈现一体化结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够避免胶接、机械连接和以金属件作为焊接原件产生的缺陷的复合材料连接单元。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合材料连接单元，包括焊接区、过渡区、连接区、控制区；所述焊接区的两侧均设置有过渡区；所述过渡区的一侧设置有连接区；所述过渡区位于焊接区与连接区之间；
所述焊接区包括热塑性复合材料层，所述热塑性复合材料层内设置有均匀分布的碳纤维复合材料层；所述热塑性复合材料层两侧均设置有树脂层；
所述过渡区设置有柔性导电材料制作的连接件；所述连接区设置有金属导线和金属连接片；所述控制区包括电阻焊模块的信号输入***和信号输出***；
所述信号输出***包括：电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器；所述信号输入***包括：温控监视***；
所述电源输入端为焊接区提供电源，所述功率控制端调节焊接区焊接功率；所述温度控制用于控制焊接区的焊接温度；所述电源保护器用于保护电源的输入；
所述控制区内设置的电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器通过连接区内的金属导线和金属连接片与过渡区内的连接件电连接；所述连接区内的金属连接片通过所述过渡区的连接件与焊接区的碳纤维层电连接；所述的温控监视***与焊接区连接，实时反馈焊接区的温度。
进一步的，所述焊接区为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，所述复合材料层的厚度为0.05mm-1.00mm，所述树脂层的厚度为5μm-100μm。
优选的，所述焊接区为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，所述树脂层为PPS、PEEK、PASS、PA或PP。
进一步的，所述过渡区内的连接件为碳纤维；所述过渡区内的碳纤维与焊接区内的碳纤维层为连续的碳纤维；所述过渡区内的碳纤维穿过热塑性复合材料层形成焊接区内的碳纤维层。
进一步的，所述碳纤维含有成束剂。
本发明的有益效果是：本发明所述的复合材料连接单元，能够实现热塑性复合材料的快速连接及修复、操作便捷；同时，对操作人员、工况及装备要求低、可适用于平板及单曲率结构、焊接成本低、自增强连接、模块化、可以实现批量化应用。
附图说明
图1是本发明实施例中复合材料连接单元的结构示意图；
图2是图1中的A-A剖视图；
图中标示：1-焊接区、2-过渡区、3-连接区、4-控制区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种复合材料连接单元，包括焊接区1、过渡区2、连接区3、控制区4；所述焊接区1的两侧均设置有过渡区2；所述过渡区2的一侧设置有连接区3；所述过渡区2位于焊接区1与连接区3之间；
所述焊接区1包括热塑性复合材料层11，所述热塑性复合材料层11内设置有均匀分布的碳纤维复合材料层12；所述热塑性复合材料层11两侧均设置有树脂层13；
所述过渡区2设置有柔性导电材料制作的连接件；所述连接区3设置有金属导线和金属连接片；所述控制区4包括电阻焊模块的信号输入***和信号输出***；
所述信号输出***包括：电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器；所述信号输入***包括：温控监视***；
所述电源输入端为焊接区1提供电源，所述功率控制端调节焊接区1焊接功率；所述温度控制用于控制焊接区1的焊接温度；所述电源保护器用于保护电源的输入；
所述控制区4内设置的电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器通过连接区3内的金属导线和金属连接片与过渡区2内的连接件电连接；所述连接区3内的金属连接片通过所述过渡区2的连接件与焊接区1的碳纤维复合材料层12电连接；所述的温控监视***与焊接区1连接，实时反馈焊接区1的温度。
所述焊接区1为热塑性复合材料焊接区域，其直接与待焊接面接触，具有优异的电热功能性，焊接过程中焊接区1内的碳纤维复合材料层12提供稳定热源，焊接完成后留在焊接结构中，该区域为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，树脂对纤维预浸润，具有优异的界面和力学性能；
所述焊接区1为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，优选的，所述复合材料层11的厚度为0.05mm-1.00mm，所述树脂层13的厚度为5μm-100μm。
所述焊接区1为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，优选的，所述树脂层13为PPS、PEEK、PASS、PA或PP。
所述过渡区2为连接电阻焊元件焊接区和连接区的过渡区域，其具有优异的导电性能、抗弯折性和随形性，其作用为a.连接焊接区与电源，保证焊接过程中焊接区的电源供应；b.具有优异的抗弯折性和随形性，避免在制备及使用过程中的断裂现象；c.过渡区为连续碳纤维结构，待复合材料焊接完成后可轻易与焊接区域本体分离；d.过渡区与焊接区纤维连续贯穿，保证焊接稳定性；e.过渡区为连续纤维结构，表面无树脂层，可避免复合材料在焊接过程中树脂熔融后污染待焊接结构；
所述焊接区1与过渡区2连接，所述过渡区2为连续碳纤维贯穿，所述过渡区2内的连接件为碳纤维；所述过渡区2内的碳纤维与焊接区1内的碳纤维层12为连续的碳纤维；所述过渡区2内的碳纤维穿过热塑性复合材料层11形成焊接区1内的碳纤维复合材料层12；优选的，所述碳纤维含有成束剂，保证使用过程中的稳定性。
所述连接区3为连接碳纤维与电源的过渡区域，其包含金属导线和金属连接片，该区域的作用为a.避免焊接区域和过渡区域的高温传递至控制区，造成设备损坏和安全隐患；b.避免碳纤维与电源控制器直接接触，造成焊接模块面内加热不稳定；c.避免碳纤维与电源控制器打结连接，造成连接区域熔断；
所述控制区4包含电阻焊模块的电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器；
所述热塑性复合材料电阻焊单元可以用于热塑性复合材料焊接、复合材料二次成型或复合材料修补。
实施例1
一种复合材料连接单元的制备，具体步骤如下：
1焊接区的制备
采用模压等工艺制备单向热塑性层合板，涉及的主要原材料为碳纤维和热塑性树脂基体；其中，碳纤维优选东丽T300，热塑性树脂基体优选PP。
连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，复合材料厚度为0.2mm，面层富树脂层厚度为50μm。
2过渡区的制备
焊接区域制备完毕后，对焊接区域两端纤维长度方向进行处理，裸露出碳纤维，其长度约为10mm，之后，将其和过渡区的进行连接；其中，过渡区域为连续碳纤维结构，同样优选东丽T300。
3连接区的制备
连接区为连接过渡区与控制区电源，连接区材质结构为金属导线和金属片；待过渡区制备完毕后，用两片铜箔分别将过渡区两端的碳纤维结构连接起来，同时将电源线也连接在铜箔上，并做压紧处理。
实施例2
一种复合材料连接单元的制备，具体步骤如下：
1焊接区的制备
采用模压等工艺制备单向热塑性层合板，涉及的主要原材料为碳纤维和热塑性树脂基体；其中，碳纤维优选东丽T700，热塑性树脂基体优选PA。
连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，复合材料厚度为0.3mm，面层富树脂层厚度为60μm。
2过渡区的制备
焊接区域制备完毕后，对焊接区域两端纤维长度方向进行处理，裸露出碳纤维，其长度约为10mm，之后，将其和过渡区的进行连接；其中，过渡区域为连续碳纤维结构，同样优选东丽T700。
3连接区的制备
连接区为连接过渡区与控制区电源，连接区材质结构为金属导线和金属片；待过渡区制备完毕后，用两片铜箔分别将过渡区两端的碳纤维结构连接起来，同时将电源线也连接在铜箔上，并做压紧处理。
Claims (5)
1.一种复合材料连接单元，其特征在于：包括焊接区(1)、过渡区(2)、连接区(3)、控制区(4)；所述焊接区(1)的两侧均设置有过渡区(2)；所述过渡区(2)的一侧设置有连接区(3)；所述过渡区(2)位于焊接区(1)与连接区(3)之间；
所述焊接区(1)包括热塑性复合材料层(11)，所述热塑性复合材料层(11)内设置有均匀分布的碳纤维复合材料层(12)；所述热塑性复合材料层(11)两侧均设置有树脂层(13)；
所述过渡区(2)设置有柔性导电材料制作的连接件；所述连接区(3)设置有金属导线和金属连接片；所述控制区(4)包括电阻焊模块的信号输入***和信号输出***；
所述信号输出***包括：电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器；所述信号输入***包括：温控监视***；
所述电源输入端为焊接区(1)提供电源，所述功率控制端调节焊接区(1)焊接功率；所述温度控制用于控制焊接区(1)的焊接温度；所述电源保护器用于保护电源的输入；
所述控制区(4)内设置的电源输入端、功率控制端、温度控制和电源保护器通过连接区(3)内的金属导线和金属连接片与过渡区(2)内的连接件电连接；所述连接区(3)内的金属连接片通过所述过渡区(2)的连接件与焊接区(1)的碳纤维层(12)电连接；所述的温控监视***与焊接区(1)连接，实时反馈焊接区(1)的温度。
2.根据权利要求1所述的复合材料连接单元，其特征在于：所述焊接区(1)为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，所述复合材料层(11)的厚度为0.05mm-1.00mm，所述树脂层(13)的厚度为5μm-100μm。
3.根据权利要求1所述的复合材料连接单元，其特征在于：所述焊接区(1)为连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料，所述树脂层(13)为PPS、PEEK、PASS、PA或PP。
4.根据权利要求1所述的复合材料连接单元，其特征在于：所述过渡区(2)内的连接件为碳纤维；所述过渡区(2)内的碳纤维与焊接区(1)内的碳纤维层(12)为连续的碳纤维；所述过渡区(2)内的碳纤维穿过热塑性复合材料层(11)形成焊接区(1)内的碳纤维层(12)。
5.根据权利要求4所述的复合材料连接单元，其特征在于：所述碳纤维含有成束剂。
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