連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮熱塑性復(fù)合材料電阻焊接加熱元件材料優(yōu)選研究

姚鑫 白鈺 安學(xué)峰 張寶艷

通訊作者：張寶艷，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向為高性能樹脂基復(fù)合材料。E-mail： zhangbaoyan0916@126.com

摘 要 焊接技術(shù)是實現(xiàn)高性能熱塑性復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，尤其在某些加筋結(jié)構(gòu)中，采用焊接技術(shù)能夠充分發(fā)揮熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢，解決熱固性膠膜和熱塑性樹脂匹配性不佳等問題，提升界面結(jié)合強(qiáng)度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。電阻焊接作為目前熱塑性復(fù)合材料主流焊接方法之一，已在國外航空結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)應(yīng)用。加熱元件既是電阻焊接中的發(fā)熱材料，又在焊接完成后保留在結(jié)構(gòu)中，成為受力承載單元，其作用至關(guān)重要。因此，需要開展連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮熱塑性復(fù)合材料焊接加熱元件材料優(yōu)選研究，分析比較不同類材料的特點，幫助設(shè)計選材和工藝人員了解相關(guān)材料的工藝特點，夯實航空熱塑性復(fù)合材料工程化應(yīng)用研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 熱塑性復(fù)合材料；聚醚醚酮；電阻焊接；加熱元件

Research of Continuous Carbon Fiber Reinforced

Thermoplastic Composite Polyether-ether-ketone

Materials Resistance Welding Heating

Element Material Optimization

YAO Xin¹， BAI Yu¹， AN Xuefeng²，ZHANG Baoyan¹

（1. AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 101300；

2. AVIC Composites Co.，Ltd.，Beijing 101300）

ABSTRACT Welding technique is one of the key technologies to promote and broaden the application of high-performance thermoplastic composite material in aeronautics. Especially in some stiffener-reinforced structures， welding technology can give full play to the advantages of thermoplastic composites， avoiding the joining difficulty between thermosetting adhesive film and thermoplastic resin， improving interfacial bonding strength， and consequently achieving a lightweight structure. Resistance welding， as a major welding technique， has been applied to aircraft structures overseas. The Heating Element plays an important role in resistance welding as it is not only the heating material， but also the force-bearing unit as it is retained in the structure after the completion of welding. Therefore， it is necessary to characterize and optimize the interface layer material used in resistance welding of continuous fiber reinforced polyether-ether-ketone composites. The objective is to obtain a good understanding of its processing features， and lay a solid foundation for the application of thermoplastic composites in aeronautics.

KEYWORDS thermoplastic composite; polyether-ether-ketone; resistance welding; heating element

1 引言

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料不僅具有傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量和可設(shè)計性強(qiáng)的優(yōu)點，而且具有高韌性、低吸濕性、可快速成型、可二次加工、易于回收等特點^［1-4］。此外其可通過電阻焊接^［5-6］、超聲焊接^［7-8］、感應(yīng)焊接^［9-10］等熔融連接技術(shù)進(jìn)行快速、可靠的組裝，避免了傳統(tǒng)機(jī)械連接造成的復(fù)合材料應(yīng)力集中和分層等問題，顯著減輕了制件的重量。目前，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域，空客A380機(jī)翼前緣采用不銹鋼金屬網(wǎng)/聚苯硫醚（PPS）作為加熱元件焊接蒙皮與梁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)okker 50支線運(yùn)輸機(jī)的主起落架艙門采用碳纖維/聚醚酰亞胺（PEI）復(fù)合材料制備并通過電阻焊接工藝裝配，A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的駕駛員座艙板主操縱面采用熱塑性復(fù)合材料電阻焊接技術(shù)制造^［11］。目前，國內(nèi)熱塑性復(fù)合材料特別是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的工程化電阻焊接技術(shù)還處于起步階段，遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)航空航天等領(lǐng)域的需求。

加熱元件作為焊接界面的連接材料，其作用至關(guān)重要。主要包括不銹鋼金屬網(wǎng)、碳纖維等。國內(nèi)外學(xué)者以往對電阻焊接的研究主要集中在金屬網(wǎng)作為加熱元件的方式上。然而，這種非均質(zhì)加熱元件存在與待焊接母材相容性差、熱膨脹系數(shù)不匹配、電偶腐蝕等問題。碳纖維作為一種高效的電熱材料也受到了研究人員的青睞，但使用碳纖維作為發(fā)熱元件存在加熱不均勻、焊接穩(wěn)定性差、焊料厚度大等問題。為了充分認(rèn)識上述問題，本研究開展了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）熱塑性復(fù)合材料焊接加熱元件材料優(yōu)選，研究了不同形式的加熱元件及焊接工藝參數(shù)對焊接接頭強(qiáng)度影響，有望為先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料電阻焊技術(shù)奠定基礎(chǔ)，助力解決先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

采用中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)材中心自研碳纖維/聚醚醚酮熱塑性預(yù)浸料，層合板鋪層形式為［0/90］_3s，纖維體積分?jǐn)?shù)為（56±2）%，厚度2.3 mm。PEEK樹脂膜由佛山市達(dá)孚新材料有限公司提供，單層厚度為0.08 mm。加熱元件中碳纖維采用中簡科技有限公司生產(chǎn)的T700級平紋織物，纖維面密度198 g/m²，厚度0.33 mm，碳纖維展寬布采用東麗T700纖維編織，纖維面密度179 g/m²，厚度0.14 mm。不銹鋼金屬網(wǎng)采用無錫天隆篩網(wǎng)有限公司生產(chǎn)的平紋編織304不銹鋼網(wǎng)，150目，單絲直徑0.06 mm，厚度0.13 mm。

2.2 實驗方法

2.2.1 加熱元件制備

（1）金屬基加熱元件制備

首先將裁剪好的不銹鋼金屬網(wǎng)浸泡在磷酸中并用超聲清洗，清潔金屬網(wǎng)表面的污漬。然后將其與2層PEEK樹脂膜通過熱壓的方式復(fù)合制備加熱元件，記為HE-1。工藝參數(shù)為10℃/min升溫至390 ℃、成型壓力2 MPa，保溫30 min，保壓冷卻至室溫后取出。PEEK樹脂膜在不銹鋼金屬網(wǎng)表面形成富樹脂層，利于焊接過程界面的粘接。制備過程中不銹鋼金屬網(wǎng)兩頭均用高溫膠帶覆蓋防止樹脂浸漬影響導(dǎo)電性能。

（2）碳基加熱元件制備

將單層T700碳纖維展寬布、T700平紋織物分別與2層PEEK樹脂膜通過高溫壓機(jī)進(jìn)行復(fù)合，工藝參數(shù)與2.2.1（1）一致，分別記為HE-2、HE-3。PEEK樹脂膜在碳纖維展寬布及織物表面形成富樹脂層，利于焊接過程界面的粘接。碳纖維展寬布及平紋織物兩頭均用高溫膠帶覆蓋防止樹脂浸漬影響導(dǎo)電性能。

2.2.2 電阻焊接裝置及焊接工藝

（1）電阻焊接裝置

電阻焊接設(shè)備由80 V 22 A大功率直流電源（IT-M3122）、熱電偶記錄儀以及壓力裝置組成。并采用電木作為絕緣壓力塊放置在待焊接母材上下表面。

（2）電阻焊接工藝

焊接過程中采用恒電壓的方式進(jìn)行加熱，對于HE-1、HE-2、HE-3分別采用13 V、27 V、16 V作為加熱電壓，三種加熱元件焊接壓力均設(shè)置為0.75 MPa，研究不同焊接時間對焊接接頭強(qiáng)度的影響。

2.3 性能測試與表征

（1）單搭剪切強(qiáng)度測試（LSS）

參照ASTM D5868標(biāo)準(zhǔn)，焊接完成后對試樣進(jìn)行機(jī)械加工，得到搭接剪切試樣，長度為101.6 mm，寬度25 mm，搭接寬度為20 mm。使用Instron 5982萬能試驗機(jī)對焊接試樣進(jìn)行單搭接剪切強(qiáng)度測試，拉伸速率為13 mm/min，計算公式如（1）所示：

式中τ為單搭接剪切強(qiáng)度，MPa；L為搭接長度，mm；b為搭接寬度，mm；F_max為最大拉伸力，N。每次取5根試樣用作測試，取其平均值。

（2）金相顯微鏡檢測

采用金相顯微鏡（ZEISS Smartzoom 5）表征制備的三種加熱元件截面，觀察樹脂浸漬情況內(nèi)部是否存在孔隙。

（3）熱失重分析

采用熱失重分析儀（TGA5500）對制備的加熱元件進(jìn)行耐熱性能評價，氣氛為氮氣（吹掃速率：40mL/min），室溫升至500℃，升溫速率為10℃/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 加熱元件性能評價

3.1.1 加熱元件宏觀形貌

不銹鋼金屬網(wǎng)、碳纖維展寬布以及碳纖維織物形貌如圖1所示，不銹鋼金屬網(wǎng)由金屬絲編織而成，絲束之間存在網(wǎng)孔；碳纖維平紋織物則由經(jīng)紗緯紗交替編織而成，纖維彎曲點較多，在受拉過程中伸長率較高；相比于傳統(tǒng)的碳纖維織物，碳纖維展寬布具有更輕、更薄且絲束分布均勻的特點。三種加熱元件的宏觀形貌如圖2所示，加熱元件表面光滑且浸漬均勻，PEEK樹脂在不銹鋼金屬網(wǎng)、碳纖維展寬布、碳纖維織物表面形成富樹脂層，提供充足的樹脂用于界面熔融連接。觀察HE-2可以發(fā)現(xiàn)，纖維絲束展寬后，樹脂熔融浸漬過程中容易造成表面纖維彎曲。

3.1.2 加熱元件微觀形貌

采用金相顯微鏡對加熱元件截面進(jìn)行觀察，如圖3所示。不銹鋼金屬網(wǎng)由于網(wǎng)孔面積較大，不存在浸潤不充分情況，如圖3（a）所示；碳纖維織物由于本身較厚且絲束密集，另外PEEK樹脂粘度較高，僅在織物表面形成了樹脂層，內(nèi)部存在大量孔隙，如圖3（c）所示，相比之下厚度較薄碳纖維展寬布浸漬情況較好，如圖3（b）所示。

3.1.3 加熱元件熱穩(wěn)定性

加熱元件作為焊接界面的發(fā)熱材料，其本身耐高溫性能十分關(guān)鍵。三種加熱元件熱失重曲線如圖4所示，由于加熱元件的基體樹脂均采用PEEK樹脂，而不銹鋼金屬網(wǎng)以及碳纖維耐熱性在氮氣氛圍下均高于500℃，故僅可能存在樹脂基體受熱分解的情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，三種加熱元件在500℃下失重率均不到1.5%，能滿足焊接時對耐熱性的需求。

3.2 焊接工藝對接頭強(qiáng)度的影響

焊接工藝參數(shù)主要包括電壓、焊接時間和壓強(qiáng)，焊接時間作為影響焊接接頭強(qiáng)度一個重要工藝參數(shù)，其時間長短對焊接過程中界面、內(nèi)部樹脂熔融浸漬有明顯影響。下面討論加熱時間對不同加熱元件焊接接頭強(qiáng)度的影響。

焊接時間對三種加熱元件焊接接頭強(qiáng)度的影響如表1所示?？梢钥吹剑S著焊接時間增加焊接接頭強(qiáng)度逐步提高。這主要是由于焊接接頭內(nèi)部樹脂熔融浸漬需要一定時間，時間較短導(dǎo)致界面處的樹脂未熔融充分，界面強(qiáng)度低；當(dāng)焊接時間到達(dá)樹脂充分熔融的狀態(tài)時，加熱元件與母材表面樹脂相互擴(kuò)散纏結(jié)，使界面強(qiáng)度提升，利于加熱元件內(nèi)部樹脂對纖維的進(jìn)一步浸潤；隨著焊接時間的繼續(xù)增加，焊接接頭內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致樹脂基體及焊接母材受損，接頭存在大面積孔隙，造成接頭強(qiáng)度降低。結(jié)果表明，在焊接過程中應(yīng)該合理控制焊接時間，避免溫度過低或過高。其次HE-2相比HE-1接頭強(qiáng)度較高，可能是由于樹脂基體與不銹鋼金屬網(wǎng)相容性較差的原因。

3.3 焊接接頭斷面破壞分析

不同加熱元件焊接接頭破壞形貌如圖5所示，對比不同加熱元件焊接接頭失效情況以及加熱元件截面金相照片（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，HE-1由于樹脂對不銹鋼金屬網(wǎng)浸漬充分，隨著加熱時間的增加焊接接頭由強(qiáng)度較低的粘接失效模式變?yōu)閺?qiáng)度較高的植入體失效模式，如圖5（a）和圖5（b）所示；HE-2、HE-3由于其內(nèi)部樹脂浸漬效果差，焊接接頭表現(xiàn)為粘接與植入體混合失效模式，即絕緣層撕脫以及加熱元件的撕裂，如圖5（c）和圖5（d）所示，加熱元件內(nèi)部大部分為裸露的干纖維，未有樹脂包裹，造成加熱元件本身力學(xué)性能較差從而本體撕裂。相比于較厚的碳纖維織物，薄層碳纖維展寬布更易于樹脂的浸漬，纖維/樹脂界面強(qiáng)度提升，焊接接頭強(qiáng)度也高于碳纖維織物，但同樣存在部分未浸漬的纖維，故在加熱元件處發(fā)生破壞。

4 結(jié)語

本文選取了不銹鋼金屬網(wǎng)、碳纖維平紋織物和碳纖維展寬布作為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮熱塑性復(fù)合材料電阻焊接加熱元件，開展了電阻焊接工藝研究，得出如下結(jié)論：

（1）不銹鋼金屬網(wǎng)作為加熱元件，因其特有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有利于樹脂流動后的浸漬，使結(jié)合強(qiáng)度提升，焊接工藝一致性較好，但與樹脂基體界面相容性不佳；

（2）碳纖維平紋織物作為加熱元件，相比不銹鋼金屬網(wǎng)，其與樹脂基體的界面相容性提升，但緊密的編織結(jié)構(gòu)不利于樹脂對纖維的浸潤，焊接過程中樹脂更易向四周擠出，而非向纖維束間流動滲透，結(jié)合強(qiáng)度波動性較大；

（3）碳纖維展寬布作為加熱元件，相比碳纖維平紋織物通過展紗將織物布面厚度減薄，改善了樹脂對纖維的浸潤性，結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提升，但其在浸漬過程中樹脂流動造成表面纖維彎曲。

（4）后續(xù)將繼續(xù)開展加熱元件材料改性研究，既確保PEEK樹脂與加熱元件材料的相容性，又使得樹脂充分浸潤，確保熱塑性復(fù)合材料電阻焊接工藝的質(zhì)量一致性。

參 考 文 獻(xiàn)

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