專利名稱：一種高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接單元的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接單元的制備方法。
背景技術(shù)：
熱塑性復(fù)合材料熔融連接(Fusion Bonding)技術(shù)主要是指通過(guò)一定的加熱方式，使熱塑性復(fù)合材料待連接面內(nèi)樹(shù)脂基體發(fā)生局部熔融，再經(jīng)冷卻固結(jié)到具有一定力學(xué)強(qiáng)度的連接結(jié)構(gòu)的方法。熱塑性復(fù)合材料的熔融連接技術(shù)原理上與金屬材料的焊接過(guò)程有相似之處，因此習(xí)慣上又稱為熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械鉚接及膠接技術(shù)相比，熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于通用性強(qiáng)，工藝周期短(通常僅需數(shù)十秒至幾 分鐘)，連接強(qiáng)度高，可以最大限度的發(fā)揮高性能熱塑性復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)。高效實(shí)用的熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)將極大的推動(dòng)高性能熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件整體制造水平的提高，促進(jìn)熱塑性復(fù)合材料低成本、高效率、一體化制造技術(shù)的發(fā)展。在熔融連接技術(shù)中，學(xué)者對(duì)電阻焊接、電磁感應(yīng)焊接、超聲波焊接等的研究最為廣泛。但其中電磁感應(yīng)焊接比較適用于長(zhǎng)/薄型的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用比較局限，而超聲波焊接也存在超聲波能量引入較為復(fù)雜等問(wèn)題，因此，相比較而言，電阻焊接的應(yīng)用前景更為廣闊。電阻焊接需將加熱單元植入到基體中，因此加熱單元的性質(zhì)對(duì)焊接件整體性能有很大的影響。傳統(tǒng)電阻焊接單元常存在發(fā)熱不均、易產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)沖現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服電阻焊接存在過(guò)燒、過(guò)沖現(xiàn)象，而提供一種高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接單元的制備方法。使得焊接件及接合處受熱更為均勻，提高焊接件與焊接單元的界面性能，加快焊接處的冷卻速度，同時(shí)提高焊接件的力學(xué)性能及提高導(dǎo)電性能，縮短加熱時(shí)間，節(jié)約能源，擴(kuò)大電阻焊接的應(yīng)用范圍。本發(fā)明的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接單元的制備方法，其步驟如下 (1)將石墨烯微片和長(zhǎng)度為3mnT6mm的短切碳纖維同時(shí)放在水中超聲分散,抽濾,干燥，然后加入表面活性劑，攪拌均勻，得到混合填料，石墨烯微片、短切碳纖維和表面活性劑的重量比為1-15 :1-5 :0. 1-1 ；
(2)將步驟(I)的混合填料與熱塑性樹(shù)脂基體按重量比為I:1-4放在密煉機(jī)中于80°C-190°C,40r/min 條件下混煉；
(3)將混煉后的物料放在模具I中，在80°C-190°C、10-15MPa條件下壓片、冷卻成型，脫模得到片材；
(4)將步驟(3)的片材放入長(zhǎng)度大于片材長(zhǎng)度的模具2中，在片材兩端與模具2端的空隙處分別加入導(dǎo)電材料，于80°C-190°C、10-15MPa條件下熱壓，冷卻脫模，片材兩端用砂紙磨，使得導(dǎo)電材料裸露在外，得到焊接單元。
通常，使片材兩端與模具2端的空隙長(zhǎng)度分別為2. 5mm。本發(fā)明中，所說(shuō)的導(dǎo)電材料為石墨烯微片、石墨、導(dǎo)電炭黑、石墨烯、碳納米管、多晶鐵纖維和短切碳纖維中的一種或幾種。一般，使多晶鐵纖維的長(zhǎng)度為0. 25mnT5mm，短切碳纖維的長(zhǎng)度為3mnT6mm。本發(fā)明中，所用的表面活性劑為硬脂酸或十二烷基磺酸鈉。本發(fā)明中，所說(shuō)的熱塑性樹(shù)脂基體為聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、尼龍、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一種或多種。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，采用高導(dǎo)熱的石墨烯微片，可使焊接單元的導(dǎo)熱系數(shù)提高5-10倍，一定程度上克服了過(guò)燒、過(guò)沖現(xiàn)象，使得焊接單元及與被焊接件接合處受熱更為均勻，提高焊接單元與被焊接件之間的界面性能，加快焊接部位的冷卻速度，該焊接單元可用 于導(dǎo)熱復(fù)合材料的焊接，擴(kuò)大了電阻焊接的應(yīng)用范圍；碳纖維的加入使得焊接單元的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能得到提高，電阻值在IO2-IO1數(shù)量級(jí)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
將IOg石墨烯微片和2g長(zhǎng)度為6mm的短切碳纖維超聲分散4h,抽濾,干燥，然后加入Ig硬脂酸攪拌均勻，與39g聚丙烯(PP)基體在密煉機(jī)中170°C、40r/min條件下混煉lOmin，用尺寸I. 4mmX5mmX20mm的模具，在190°C、12MPa條件下壓片8min，后將壓好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具內(nèi)，片材兩端與模具端分別留2. 5mm長(zhǎng)度的空隙,在兩端空隙處加入長(zhǎng)度為6_的短切碳纖維，在190°C、12MPa條件下壓片5min，待制件冷卻后，用砂紙磨直至兩端短切碳纖維裸露，得到焊接單元。該焊接單元的電阻值為IO2數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱系數(shù)為聚丙烯的5倍。焊接時(shí)，以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸帶為被焊接件，在安全電壓36V通電條件下，加熱25-30S即可熔融，冷卻后，測(cè)得靜態(tài)搭接剪切強(qiáng)度為9. 2MPa，界面粘接性能良好，斷電后冷卻速度快，在50V電壓下通電，8-lOs焊接單元即可熔融。實(shí)施例2
將5g石墨烯微片和5g長(zhǎng)度為3mm的短切碳纖維超聲分散8h,抽濾，干燥，然后加A 0. 5g硬脂酸表面攪拌均勻，與42g聚乙烯基體在密煉機(jī)中180°C、40r/min條件下混煉IOmin,用尺寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具,在180°C、12MPa條件下壓片8min,后將壓好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具內(nèi)，片材兩端與模具端分別留2. 5mm長(zhǎng)度的空隙,在兩端空隙處加入長(zhǎng)度為5_的多晶鐵纖維，在180°C、12MPa條件下壓片5min，待制件冷卻后，用砂紙磨至多晶鐵纖維裸露，得到焊接單元。該焊接單元的電阻值為IO2數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱系數(shù)為聚乙烯的4倍。焊接時(shí)，以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸帶為被焊接件，在安全電壓36V通電條件下，加熱20s即可熔融，冷卻后，測(cè)得靜態(tài)搭接剪切強(qiáng)度為11. 5MPa，界面粘接性能良好，冷卻速度快，在50V電壓下通電，7s焊接單元即可熔融。實(shí)施例3
將15g石墨烯微片和5g長(zhǎng)度為6mm的短切碳纖維超聲分散8h,抽濾,干燥，然后加入0. 5g十二烷基磺酸鈉攪拌均勻，與29g乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基體在密煉機(jī)中80°C、40r/min條件下混煉IOmin,用尺寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具,在80°C、12MPa條件下壓片8min,后將壓好的片放在ImmX 5_X 25mm模具內(nèi)，片材兩端與模具端分別留2. 5mm長(zhǎng)度的空隙，在兩端空隙處加入碳納米管，在80°C、12MPa條件下壓片5min，待制件冷卻后，用砂紙磨，直至碳納米管裸露，得到焊接單元。該焊接單元的電阻值為IO1數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱系數(shù)為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基體的8倍。焊接時(shí)，以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸帶為被焊接材料，在安全電壓36V通電條件下，加熱12s即可熔融，冷卻后，測(cè)得靜態(tài)搭接剪切強(qiáng)度為lOMPa，界面粘接性能良好，冷卻速度快，在50V電壓下通電，4s焊接單元即可熔融。實(shí)施例4
將18g石墨烯微片和6g碳纖維超聲分散8h,抽濾，干燥，然后加入I. 5g硬脂酸攪拌均勻，與25. 5g聚丙烯基體在密煉機(jī)中170°C、40r/min條件下混煉lOmin，用尺 寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具，在190°C、12MPa條件下壓片8min,后將壓好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具內(nèi)，片材兩端與模具端分別留2. 5mm長(zhǎng)度的空隙,在兩端空隙處加入長(zhǎng)度為4_多晶鐵纖維，在190°C、12MPa條件下壓片5min，待制件冷卻后，用砂紙磨，直至多晶鐵纖維裸露，得到焊接單元。該焊接單元的電阻值為IO2數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱系數(shù)為聚丙烯的8倍。焊接時(shí)，以連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸帶為被焊接件，在安全電壓36V通電條件下，加熱27s即可熔融，冷卻后，測(cè)得靜態(tài)搭接剪切強(qiáng)度為9. 5MPa，界面粘接性能良好，冷卻速度快，在50V電壓下通電，8s焊接單元即可熔融。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其步驟如下 (1)將石墨烯微片和長(zhǎng)度為3mnT6mm的短切碳纖維同時(shí)放在水中超聲分散,抽濾,干燥，然后加入表面活性剤，攪拌均勻，得到混合填料，石墨烯微片、短切碳纖維和表面活性劑的重量比為1-15 :1-5 0. 1-1 ； (2)將步驟(I)的混合填料與熱塑性樹(shù)脂基體按重量比為I:1_4放在密煉機(jī)中于80°C-190°C,40r/min 條件下混煉； (3)將混煉后的物料放在模具I中，在80°C-190°C、10-15MPa條件下壓片、冷卻成型，脫模得到片材； (4)將步驟(3)的片材放入長(zhǎng)度大于片材長(zhǎng)度的模具2中，在片材兩端與模具2端的空隙處分別加入導(dǎo)電材料，于80°C-190°C、10-15MPa條件下熱壓，冷卻脫摸，片材兩端用砂紙磨，使得導(dǎo)電材料裸露在外，得到焊接單元。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其特征是片材兩端與模具2端的空隙長(zhǎng)度分別為2. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其特征是所說(shuō)的導(dǎo)電材料為石墨烯微片、石墨、導(dǎo)電炭黑、石墨烯、碳納米管、多晶鐵纖維和短切碳纖維中的ー種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利3所述的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其特征是多晶鐵纖維的長(zhǎng)度為O. 25mnT5mm,短切碳纖維的長(zhǎng)度為3mnT6mm。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其特征是所用的表面活性劑為硬脂酸或十二烷基磺酸鈉。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接単元的制備方法，其特征是所說(shuō)的熱塑性樹(shù)脂基體為聚こ烯、聚丙烯、聚偏氟こ烯、尼龍、聚苯こ烯、聚甲基丙烯酸甲酷、聚甲醛、聚對(duì)苯ニ甲酸こニ酯和こ烯-醋酸こ烯酯共聚物中的ー種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱短切碳纖維增強(qiáng)聚合物基電阻焊接單元的制備方法，其步驟是將石墨烯微片和短切碳纖維在水中超聲分散混合，干燥后加入表面活性劑混合均勻；然后將混合料與熱塑性樹(shù)脂基體放入密煉機(jī)混煉，在模具中壓制成片材；再將片材置于在長(zhǎng)度大于片材長(zhǎng)度的模具中，在片材兩端與模具端的空隙處分別加入導(dǎo)電材料，熱壓，脫模后的片材兩端用砂紙磨，使導(dǎo)電材料裸露在外作為焊接單元的通電電極。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，采用高導(dǎo)熱的石墨烯微片，克服了電阻焊接存在的過(guò)燒、過(guò)沖現(xiàn)象，使得焊接處受熱更為均勻，同時(shí)加入碳纖維提高了焊接單元的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能，焊接件電阻值在102-101數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)C08K7/06GK102672867SQ20121015732
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者丁宏亮, 張子寬, 曹清華, 汪文, 沈烈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)