[发明专利]一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备技术领域。本发明首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定的压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备技术领域，具体为一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有质量轻、强度高等优势，然而其制作成本高、脆性大易断裂等缺点限制了其整体应用。金属具有导电性好、塑性好等优势。将碳纤维复合材料与金属材料复合连接，可优势互补、实现性能更优的复合材料，在“陆海空天”等领域的应用具有重要意义，关于碳纤维复合材料/金属材料复合加工制备的研究日渐提上日程。

目前用于碳纤维复合材料与金属材料连接的技术有铆接、粘接和焊接三种。铆接需要在母材上开孔，开孔区域容易产生应力集中，而铆接时几何参数、装配性能等设计参数也会使材料力学性能有较大的分散性。粘接是借助胶粘剂在固体表面产生粘合力，将碳纤维复合材料和金属材料连接在一起，具有成本低、质量轻等优势，但粘接固化时间较长，对环境要求较高。焊接是通过碳纤维复合材料表面的树脂与金属进行连接，依靠树脂基体传递载荷，然而随着时间的增长，界面树脂逐渐老化之后，复合材料的结合强度得不到保证。

发明内容

针对目前碳纤维复合材料与金属材料连接中树脂老化、粘合有效时间短的技术问题，本发明提供了一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法。

本发明首先通过在金属板材待复合表面施加脉冲电流，使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。其次，利用超声波高频振动，摩擦生热促进待连接界面树脂基体塑性流动，在一定压力作用下实现树脂与金属、碳纤维与金属的连接。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种电活化辅助超声波连接金属与碳纤维复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤1，对碳纤维复合材料和金属板材复合面进行表面处理；

步骤2，将经过步骤1表面处理后的金属板材平铺于绝缘垫板之上固定，再将经过步骤1表面处理后的碳纤维板材放置于金属板材之上固定；

步骤3，将脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定；

步骤4，对金属板材施加脉冲电流，同时监测金属板材表面温度；

步骤5，进行超声波点焊，完成金属与碳纤维复合材料的连接，得到金属-碳纤维复合板材。

进一步，所述步骤4中施加脉冲电流的电源输出频率为0～2000Hz可调。对金属板材施加脉冲电流，使金属板材待复合表面温度升高；使金属与导电碳纤维接触发生微区放电，可以实现界面局部高温、活化待连接界面，促进界面的化学冶金反应。

进一步，所述步骤5中超声波点焊的超声波振动功率为0～4000W，振动频率为30kHz。

进一步，所述步骤2中，绝缘垫板尺寸为100mm×30mm×1mm，绝缘垫板的设置是防止电流传导进入工作台，防止加工过度，保证工作台光滑平整。

进一步，所述步骤3中脉冲电源连接的铜片电极与金属板材两端连接固定是通过螺栓固定，所述螺栓下表面连接绝缘/防溃垫片。防止电流传导进入超声波焊头，防止螺栓压紧力过大破坏碳纤维板表面和铜片电极表面。

进一步，超声波点焊的焊头直径为10mm。

进一步，所述步骤3中铜片电极尺寸为25mm×15mm×1mm。