[发明专利]一种热固性复合材料自然连接方法

说明书

本发明公开了一种热固性复合材料自然连接方法，包括步骤：将小分子胶均匀涂抹于连接对象上，在中温100℃‑160℃无压力辅助条件下，小分子胶渗透扩散进入连接对象内部，固化并同时激活连接界面处的动态共价键交换反应，完成以共价键为主、分子间作用力及物理缠绕等为辅的高强界面连接。本发明实现了优质、高效、高强的连接效果，突破了传统连接方法较弱的连接机理，克服了传统连接方法强度低、处理复杂、不稳定等缺陷与不足，并可广泛应用于热固性树脂及热固性复合材料等的粘接和损伤修复领域。

技术领域

本发明属于复合材料连接方法领域，具体涉及一种热固性复合材料自然连接方法，应用于热固性树脂及热固性复合材料等的粘接和损伤修复方面。

背景技术

热固性复合材料(或热固性树脂基复合材料)，由稳定的共价交联热固性树脂为基体，以高强纤维、颗粒等为增强相，具有优异的比强度、比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳等性能，在现代工业体系中扮演着不可替代的角色，被广泛应用于航空、航天、能源、交通等领域[1,2]。例如，在航空领域中大量应用复合材料，对减轻重量、提高推进效率、延长使用寿命有着重要意义。目前，多数飞行器的整流罩、机翼、中前机身等均以复合材料部件为主，民用飞机波音B787、空客A350中复合材料用量大于50％，“神经元”、“雷神”等无人机则高达90％以上。

随着复合材料越来越广泛的应用，工业界对结构安全性、可靠性和修复性的要求也日益提高，而复合材料制造成本昂贵，技术复杂，破损部位修复不善又会造成严重的资源浪费，因此在结构成型制造阶段及服役损伤修复阶段，如何对复合材料进行优质、高效的连接已经成为关键问题。

然而，传统连接方式(机械连接、传统胶接和混合连接等)存在显著的固有缺陷[3]。在机械连接中，开孔会破坏结构材料的完整性，孔洞附近区域在服役期间会发生严重的应力集中，且使用连接螺栓会大大增加结构重量。与之相比，传统胶接引入非相容异性夹层材料作为粘胶剂，尽管该方法引入较大的接触面积分散应力，但是，表面处理步骤复杂，需要压力辅助，且通过较弱的氢键、分子间作用力、分子链渗透和物理缠绕等完成连接，胶接强度较低，第二相夹层粘胶剂容易蠕变老化。尽管国内外针对复合材料连接开展了大量研究，如通过表面处理、接头几何形状设计、粘胶剂材料优化等方法改善连接性能，但是，受限于传统连接方式的固有缺陷，热固性树脂基复合材料的有效连接研究长期处于“瓶颈”状态。

对于热固性树脂基复合材料的连接而言，最本质的挑战在于热固性树脂基体拥有稳定的三维共价交联网络，一旦固化成型，无法再解键重构，导致传统胶接方法无法在界面处形成高键能的共价键。

近年来，研究者通过在传统热固性树脂中引入动态共价键制备动态共价键聚合物，以这种新型聚合物作为基体的复合材料，在高温高压下，界面处发生共价键交换反应，从而实现高键能的共价键连接[4-6]。然而，这种热压辅助焊接方法，主要集中用于柔性材料，且必须在几十万帕斯卡到几百万帕斯卡的高压条件下加热较长时间，才能实现连接界面处的缝隙闭合和接触反应。此外，现有的新型动态共价键聚合物，在高温环境中，材料内部的动态化学反应十分剧烈，材料稳定性和安全性存在问题，无法替代现有的工业高强复合材料，仍需进一步研究。

因此，开发工业热固性复合材料的新型共价键连接方法，仍然是此领域亟待解决的难题之一。

参考文献：

1.Ashby,M.F.and D.J.L.J.d.P.I.Cebon,Materials selection in mechanicaldesign.1993.3(C7):p.C7-1-C7-9.2.Clyne,T.and D.Hull,An introduction tocomposite materials.2019:Cambridge university press.