專利名稱：熱塑性材料與纖維復(fù)合材料的接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱塑性材料和纖維復(fù)合材料的接合方法。此外，本發(fā)明也涉及一
種包含熱塑性材料和纖維復(fù)合材料的裝置。
背景技術(shù)：
在航空器中，熱塑性材料通常利用機(jī)械構(gòu)件將熱塑性材料與纖維復(fù)合材料連接，例如利用螺絲釘或利用粘合劑。例如，包含熱塑性材料的塑料支架通常依附加在加壓區(qū)域的元件例如側(cè)壁板或帽架箱，這些元件包含纖維復(fù)合材料，例如在航空器的艙室區(qū)域。
含有熱塑性塑料的塑料支架和含有纖維復(fù)合材料元件之間的粘接需要對(duì)塑料支架的粘附表面預(yù)處理。這些表面首先需要進(jìn)行表面粗糙處理，然后用涂底漆進(jìn)行預(yù)處理。只有在預(yù)處理之后，塑料支架才可以粘接至含纖維復(fù)合材料的元件。然后，需要等待一段時(shí)間，一般5至8小時(shí)，直至粘合劑固化，并表現(xiàn)出所需的粘接強(qiáng)度。通常使用熱固性的粘合劑。當(dāng)采用這種粘合劑時(shí)，粘接在一起的熱塑性支架和元件必須在烤箱中固化48小時(shí)。所以，粘接過程很復(fù)雜，且很費(fèi)時(shí)間。此外，粘合劑包括對(duì)健康有害的成分。
作為選擇或者在此基礎(chǔ)上，含有熱塑性塑料的塑料支架常常通過螺絲釘連接至含有纖維復(fù)合材料的元件上。但是，這有缺點(diǎn)，螺絲釘?shù)目椎拇笮『臀恢帽仨氃谒芰现Ъ芎驮闹圃爝^程中就已經(jīng)知道，如果元件和/或塑料支架的連接位置改變，必須增加新的孔。這對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過程將是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種將熱塑性材料和纖維復(fù)合材料接合的方法，該方法
與現(xiàn)有方法相比較簡(jiǎn)單且消耗的時(shí)間較少，同時(shí)不采用對(duì)健康有害的物質(zhì)，并且與使用機(jī)
械連接方法例如采用螺絲釘相比，熱塑性材料和纖維復(fù)合材料的連接位置更容易改變。 本發(fā)明的上述目的通過一種將熱塑性材料和纖維復(fù)合材料接合的方法來完成，其
中熱塑性材料焊接至纖維復(fù)合材料，所述纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)的基體材料，或者包括
纖維增強(qiáng)的基體材料，其中該基體材料為熱固性材料或者包含有熱固性材料。 通過將熱塑性材料焊接至纖維復(fù)合材料，兩材料之間接合所需的時(shí)間大大減少。
總共只需要幾秒鐘。此外，通常材料不需要預(yù)處理，也不需要另外的有害物質(zhì)。此外，元件
和塑料支架之間不需要形成有孔，從而更容易改變熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合位置。 優(yōu)選地，通過"運(yùn)動(dòng)焊接"將熱塑性材料焊接至纖維復(fù)合材料。術(shù)語(yǔ)"運(yùn)動(dòng)焊接"包括熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在接合區(qū)域產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)熱足以使熱塑性塑料和纖維復(fù)合材料之間焊接在一起。此外，優(yōu)選地，在運(yùn)動(dòng)焊接過程中，熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱塑性材料開始熔化而纖維復(fù)合材料被加熱。更優(yōu)選地，在運(yùn)動(dòng)焊接過程中，熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式是，熱塑性材料相對(duì)于纖維復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)，且熱塑性材料和纖維復(fù)合材料彼此相互擠壓，熱塑性材料開始熔化而纖維符合材料被加熱。 簡(jiǎn)單地，運(yùn)動(dòng)焊接允許在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)熱，尤其是摩擦熱，該運(yùn)動(dòng)熱足以焊接兩種材料焊接在一起。
同樣，運(yùn)動(dòng)的能量也可以用于熱塑性材料的目標(biāo)去除。 相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以通過例如熱塑性材料和纖維復(fù)合材料彼此之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和/或振動(dòng)。當(dāng)利用振動(dòng)時(shí)，纖維復(fù)合材料和熱塑性材料優(yōu)選通過振動(dòng)焊接彼此相互連接。在振動(dòng)焊接中，摩擦熱由在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域中的振動(dòng)產(chǎn)生，并足以將兩種材料焊接在一起。 此外，優(yōu)選地，熱塑性材料通過感應(yīng)焊接與纖維符合材料接合。為此目的，在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置導(dǎo)電材料，在導(dǎo)電材料中產(chǎn)生感應(yīng)熱，以足夠使熱塑性材料開始熔化，并加熱纖維復(fù)合材料。在感應(yīng)焊接中，優(yōu)選將導(dǎo)電材料通電，以通過電阻效應(yīng)和/或磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)熱。優(yōu)選地，為了產(chǎn)生感應(yīng)熱，在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置金屬顆粒和/或金屬層。 此外，導(dǎo)電材料為開槽、繃緊的金屬箔，例如商品名為Astrostrike的金屬箔。導(dǎo)電材料優(yōu)選由鋁和/或銅制成，或者包含鋁和/或銅。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料為金屬編織材料和/或金屬層。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料包括或由金屬納米顆粒構(gòu)成。導(dǎo)電材料尤其是金屬層優(yōu)選通過一種或多種金屬粉的熱噴涂方法產(chǎn)生，這些金屬粉可以包括一種或多種金屬，或者通過利用一種或多種金屬的燒結(jié)技術(shù)，或者通過熔融一種或多種金屬箔和/或一種或多種焊接材料，尤其是使之形成在熱塑性材料上。 優(yōu)選地，通過中頻或高頻產(chǎn)生感應(yīng)熱。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，采用頻率范圍10 50kHz，尤其是功率在2 5kW。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，采用頻率范圍400kHz lMHz，尤其是功率小于25kW。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，纖維復(fù)合材料包括碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，在碳纖維增強(qiáng)塑料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)熱，尤其是沒有采用另外的導(dǎo)電材料。感應(yīng)熱優(yōu)選產(chǎn)生在接近碳纖維增強(qiáng)塑料的表面上。 纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)基體材料或包括纖維增強(qiáng)基體材料?；w材料為熱固性材料或包括熱固性材料。優(yōu)選地，纖維復(fù)合材料的纖維為單向的，或形成編織物。因此，纖維復(fù)合材料優(yōu)選為纖維增強(qiáng)塑料(FRP)，即增強(qiáng)的、熱塑性和/或熱固性的基體材料，并設(shè)置有單向纖維或形成編織物的纖維。此外，纖維復(fù)合材料也可以利用樹脂尤其是加聚樹脂和/或縮聚樹脂。纖維復(fù)合材料優(yōu)選設(shè)置在蜂窩結(jié)構(gòu)，尤其是Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)。在這種情況下，蜂窩結(jié)構(gòu)為層的形式，纖維復(fù)合材料設(shè)置在蜂窩結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對(duì)邊。
熱塑性材料由一種或多種工程熱塑性塑料制成或包含一種或多種工程熱塑性塑料組成。熱塑性材料還可以由聚酰胺組成或包括聚酰胺此外，熱塑性材料可以由聚醚酰亞胺(PEI)和/或聚醚醚酮(PEEK)組成或者包括聚醚酰亞胺(PEI)和/或聚醚醚酮(PEEK)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，熱塑性材料包括纖維增強(qiáng)件，尤其是短的纖維增強(qiáng)件，其中纖維可以為碳纖維和/或玻璃纖維。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，熱塑性材料沒有包含纖維增強(qiáng)件。
通過利用纖維復(fù)合材料和熱塑性材料，可以根據(jù)本發(fā)明的方法在這些材料之間產(chǎn)生良好的接合。 此外，熱塑性材料優(yōu)選為支架的成分，或者支架由熱塑性材料構(gòu)成，纖維復(fù)合材料優(yōu)選為元件的成分或者元件由纖維復(fù)合材料構(gòu)成，從而支架的熱塑性材料與元件的纖維復(fù)合材料焊接在一起，使支架和元件接合形成支架結(jié)構(gòu)。這樣，支架可以簡(jiǎn)單快捷地與元件接合。 如果纖維復(fù)合材料通過運(yùn)動(dòng)焊接連接至熱塑性材料，熱塑性材料的支架優(yōu)選設(shè)置為運(yùn)動(dòng)的，同時(shí)待接合的元件的纖維復(fù)合材料為不動(dòng)的。 元件可以為航空器中的側(cè)壁板，尤其是在航空器的操作時(shí)可加壓的空間內(nèi)，特別是航空器的艙室空間內(nèi)，和/或航空器的帽架箱或者側(cè)壁板的一部分和/或帽架箱的一部分。此外，所述方法優(yōu)選應(yīng)用在航空器，優(yōu)選航空器中在操作時(shí)可加壓的空間內(nèi)，尤其是在艙室空間內(nèi)。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法使之可以簡(jiǎn)單、快捷和可靠地在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間產(chǎn)生焊接接合。 所述支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)選可以制成所需的物體。 本發(fā)明還涉及包含熱塑性材料和纖維復(fù)合材料的裝置，其中熱塑性材料和纖維復(fù)
合材料包括根據(jù)本發(fā)明方法形成的接合處。 所述裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)記載在權(quán)利要求20至24中。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式作進(jìn)一步描述，其中 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置的示意圖； 圖2為纖維增強(qiáng)塑料和熱塑性材料之間接合的層結(jié)構(gòu)； 圖3為帶纖維增強(qiáng)塑料的夾層結(jié)構(gòu)； 圖4為帶艙室空間的航空器，其中設(shè)置有支架結(jié)構(gòu)； 圖5為含有熱塑性材料的支架的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1展示了將熱塑性材料和纖維復(fù)合材料接合的裝置l，其中纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)的基體材料或包含纖維增強(qiáng)的基體材料，其中基體材料為熱固性材料或包含熱固性材料。裝置1包含轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2和控制單元3，該控制單元3連接至轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2，并控制該轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元。裝置1還包括支架支座4，支架5可拆卸地連接至該支架支座4。支架支座4可轉(zhuǎn)動(dòng)地和高度可調(diào)節(jié)地支撐在轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元中，從而轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2可以通過支架支座轉(zhuǎn)動(dòng)支架5，并可以改變其高度位置。裝置1還包括纖維復(fù)合材料支座6，該纖維復(fù)合材料支座6上支撐有纖維復(fù)合材料7，在該實(shí)施例中為纖維增強(qiáng)塑料。
通過裝置1，支架5，例如處于圖l所示的高度位置，可以被嵌入支架支座4。此外，纖維復(fù)合材料7，尤其是纖維增強(qiáng)塑料，可以被嵌入纖維復(fù)合材料支座6中。 一旦支架5和纖維復(fù)合材料7被嵌入相應(yīng)的支座4、6中，支架支座4沿纖維復(fù)合材料7的方向移動(dòng)，從而支架5與纖維復(fù)合材料7接觸，并有預(yù)定的壓力。支架5和纖維復(fù)合材料7之間的預(yù)定壓力形成之前、期間或之后，由于支架支座4，支架5開始以預(yù)定頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。作為轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，由熱塑性材料構(gòu)成的或者包含熱塑性材料的支架5的表面，和纖維復(fù)合材料的表面相互摩擦，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)熱。維持該運(yùn)動(dòng)過程，直至產(chǎn)生足夠的運(yùn)動(dòng)熱量，以將兩個(gè)表面相互接合。隨后，該運(yùn)動(dòng)停止，表面冷卻。加熱過程和冷卻過程都只持續(xù)了幾秒鐘，具體地，每個(gè)過程持續(xù)少于5秒鐘。 圖4展示了航行器30的示意圖，該航行器具有當(dāng)操作時(shí)可加壓的艙室區(qū)域31。在每個(gè)艙室區(qū)域31中，設(shè)置有元件32，該元件包含纖維復(fù)合材料，尤其是纖維增強(qiáng)塑料，或者其結(jié)合。元件32與包含熱塑性材料或由熱塑性材料構(gòu)成的支架33接合。元件32和支架33之間的接合可以通過根據(jù)本發(fā)明的上述方法實(shí)現(xiàn)。 纖維復(fù)合材料和熱塑性材料之間的接合與其他材料之間的焊接接合不同。特別是，根據(jù)本發(fā)明方法，熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合處的顯微結(jié)構(gòu)與其他材料(例如兩種金屬材料)之間的焊接接合處的顯微結(jié)構(gòu)不同。 在圖1中，纖維復(fù)合材料7由纖維復(fù)合材料支座6支撐。但是，根據(jù)本發(fā)明，纖維復(fù)合材料7也可以為較大元件的一部分，例如側(cè)壁板或帽架箱，該較大元件的一部分可以由相應(yīng)的支座支撐，或者已經(jīng)固定在航空器的艙室區(qū)域中。在后者情況中，無須支座來支撐纖維復(fù)合材料或支撐元件。 轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2和控制單元3可以采取例如美國(guó)專利US 5， 160， 393所述的固定裝置。作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2、控制單元3和支架支座4也可以為手持結(jié)構(gòu)。
支架5至少在纖維復(fù)合材料的接合區(qū)域包含有熱塑性材料，該熱塑性材料以據(jù)本發(fā)明的方式與纖維復(fù)合材料接合。在接合區(qū)域所獲得的層如圖2所示。熱塑性材料10焊接至纖維復(fù)合材料11。在此實(shí)施例中，纖維復(fù)合材料11應(yīng)用在蜂窩結(jié)構(gòu)12中，尤其是Nomex蜂窩。優(yōu)選地，蜂窩結(jié)構(gòu)12依次應(yīng)用在纖維復(fù)合材料的第二層13。 熱塑性材料10優(yōu)選為工程熱塑性塑料并更優(yōu)選為聚酰胺。但是，根據(jù)本發(fā)明，熱塑性材料也可以為標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料或高性能的熱塑性塑料。所用的工程熱塑性塑料可以優(yōu)選為PA66(帶有或不帶有玻璃纖維)，尤其是PA66-GF30和PA60-GF30， PA12， PC (聚碳酸脂)或PMMA。材料PA66、PA12和PC優(yōu)選具有阻燃劑，并因此具有良好的防火性能。
所使用的高性能熱塑性塑料可以為聚醚酰亞胺(PEI)，帶有或不帶有玻璃纖維，以及其玻璃纖維改性。此外，高性能的熱塑性材料可以是，例如聚芳醚酮(PAEK，aromaticpolyetherketones)、聚苯砜(PPSU， polyphenylsulfone)禾口聚酰胺_酰亞胺(polyamideimides)。 纖維復(fù)合材料11 (優(yōu)選纖維增強(qiáng)塑料)可以包含有碳纖維和/或玻璃纖維，尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料和/或玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)。纖維復(fù)合材料優(yōu)選利用樹脂制成，尤其是加聚樹脂和/或縮聚樹脂。 一系列層包括纖維復(fù)合材料層11、13和穿插的蜂窩結(jié)構(gòu)12，同樣是夾層結(jié)構(gòu)。泡沫結(jié)構(gòu)也可以被用來取代或加入所述的蜂窩結(jié)構(gòu)12。
圖3為夾層結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中該夾層結(jié)構(gòu)的頂面為纖維復(fù)合材料層ll，底面為纖維復(fù)合材料層13，這些層圍住蜂窩結(jié)構(gòu)15或泡沫結(jié)構(gòu)16。為了清晰的原因，圖3中，部分的纖維復(fù)合材料11已經(jīng)被去除。優(yōu)選地，纖維復(fù)合材料層11完全覆蓋層14。為了清晰的原因，圖3中蜂窩結(jié)構(gòu)15和泡沫結(jié)構(gòu)16均展示出。但是，優(yōu)選地，對(duì)于夾層架構(gòu)，在纖維復(fù)合材料層11、 13之間，只包含蜂窩結(jié)構(gòu)15或泡沫結(jié)構(gòu)16。蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)選為Nomex蜂窩。
纖維復(fù)合材料層11、 13優(yōu)選具有厚度0. 1 0. 2mm，并更優(yōu)選厚度0. 15mm。
接合過程的微觀順序?qū)⒃谙挛拿枋觥?在焊接過程中，熱塑性材料的表面進(jìn)入高粘性狀態(tài)，該狀態(tài)下材料的溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而低于熔點(diǎn)。這意味著熱塑性材料只是開始熔化。同時(shí)，纖維復(fù)合材料的表面被加熱，并與熱塑性材料的高粘性部分進(jìn)行準(zhǔn)化學(xué)結(jié)合。如果纖維復(fù)合材料包括樹脂，尤 其是加聚和/或縮聚樹脂，那么未固化的樹脂可以與熱塑性材料的高粘性部分發(fā)生準(zhǔn)化學(xué) 結(jié)合，即所述樹脂可能沒有完全固化，例如超過50%的樹脂固化，尤其是超過80%的樹脂 固化，其中未固化的樹脂可以與熱塑性材料的高粘性部分發(fā)生準(zhǔn)化學(xué)結(jié)合。此外，支架的高 粘性的熱塑性材料穿過纖維復(fù)合材料的微孔，從而熱塑性材料穿透纖維復(fù)合材料，從而產(chǎn) 生連接。此外，高粘性的熱塑性材料可以進(jìn)入纖維復(fù)合材料并穿過纖維物和材料，從而錨定 在遠(yuǎn)離熱塑性材料的纖維復(fù)合材料一側(cè)，從而產(chǎn)生接合。當(dāng)纖維復(fù)合材料采用蜂窩結(jié)構(gòu)中 如圖2所示時(shí)，熱塑性材料的高粘性部分可以穿過纖維復(fù)合材料。由于多孔性的纖維復(fù)合 材料，在蜂窩結(jié)構(gòu)的方向上可以發(fā)生毛細(xì)效應(yīng)，這可以至少導(dǎo)致高粘性熱塑性材料被引入 纖維復(fù)合材料中。 在另一個(gè)實(shí)施例中，熱塑性材料通過感應(yīng)焊接被焊接在纖維復(fù)合材料，其中在熱 塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)電材料。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料為開槽、繃緊 的金屬箔，例如商品名稱為Astrostrike的金屬箔。導(dǎo)電材料優(yōu)選由鋁和/或銅制成或包含 鋁和/或銅。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，導(dǎo)電材料為金屬編制材料和/或金屬層。在另一 個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，導(dǎo)電材料包括或由金屬納米顆粒組成。導(dǎo)電材料，尤其是金屬層，優(yōu)選 通過一種或多種金屬粉末的熱噴涂方法產(chǎn)生，或者利用一種或多種金屬的燒結(jié)技術(shù)，或者 利用一種或多種金屬箔和/或一種或多種焊接材料的熔化產(chǎn)生，特別是在熱塑性材料上。
在優(yōu)選實(shí)施例中，感應(yīng)熱可以利用中頻或高頻產(chǎn)生。優(yōu)選地，采用的頻率在10 50kHz，尤其是功率在2 5kW。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用頻率400kHz lMHz，尤其是 功率小于25kW。 在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，纖維復(fù)合材料包括碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，感應(yīng)熱在碳 纖維增強(qiáng)塑料中產(chǎn)生，尤其是不利用額外的導(dǎo)電材料。感應(yīng)熱優(yōu)選在碳纖維增強(qiáng)塑料的表 面附近產(chǎn)生。 根據(jù)本發(fā)明的將熱塑性材料和纖維復(fù)合材料接合的方法的例子如下所述。
實(shí)施例1 根據(jù)實(shí)施例l，包含熱塑性材料的支架展示在圖5中，該支架與纖維復(fù)合材料接 合，在本實(shí)施例中，纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)塑料。 在該實(shí)施例中，支架33包括盤狀連接部分34和支座35，所述盤狀連接部分與纖維 增強(qiáng)塑料連接。連接部分34和支座35具有聚酰胺PA66含量70%和玻璃纖維含量30%。 支座35用于支撐物體，例如電導(dǎo)線或更重的物體。連接部分的厚度在此實(shí)施例中為2. 2mm， 連接部分的直徑在此實(shí)施例中為24mm。 在此實(shí)施例中，纖維增強(qiáng)塑料為玻璃增強(qiáng)塑料薄片，支架33的表面36將連接的薄
片的頂部外層為40%樹脂和60%玻璃纖維編織物。薄片的厚度總計(jì)為2mm。 支架固定在裝置1的支架支座4，如圖1所示。此外，玻璃增強(qiáng)塑料薄片，即纖維增
強(qiáng)塑料，固定在裝置1的支座6。然后，支架被轉(zhuǎn)動(dòng)和提升單元2和支架支座4壓在玻璃增
強(qiáng)塑料薄片上，并相對(duì)玻璃增強(qiáng)塑料薄片轉(zhuǎn)動(dòng)，以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)熱，使玻璃增強(qiáng)塑料薄片和支架接合。 在焊接過程中，熱塑性材料和纖維增強(qiáng)塑料之間的壓力在本實(shí)施例中為0. 5、1. 0 和1.5巴。對(duì)應(yīng)于每個(gè)壓力，含有熱塑性材料的支架與纖維增強(qiáng)材料之間根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生
8接合。在焊接過程中，含有熱塑性材料的支架相對(duì)于纖維增強(qiáng)材料轉(zhuǎn)動(dòng)，角頻率為120Hz。 在本實(shí)施例中，焊接深度為0. 35mm。在本實(shí)施例中，焊接過程通過焊接深度控制，即焊接過 程在達(dá)到預(yù)定焊接深度時(shí)就結(jié)束。 為了檢查熱塑性材料和纖維增強(qiáng)塑料之間的接合，確定其拉伸剪切強(qiáng)度。根據(jù)本 發(fā)明產(chǎn)生的接合具有非常好的拉伸剪切強(qiáng)度。這些拉伸剪切強(qiáng)度足以使用于支撐重物的支 架連接至纖維增強(qiáng)塑料元件。
實(shí)施例2 在本實(shí)施例中，同樣采用實(shí)施例1所示的支架。在該實(shí)施例中，纖維增強(qiáng)塑料為碳 纖維增強(qiáng)塑料薄片，支架連接的薄片頂部外層為45%樹脂和55%碳纖維編織物。薄片的厚 度為2mm。 根據(jù)本發(fā)明的用于將熱塑性材料(支架)連接至纖維增強(qiáng)材料(碳纖維增強(qiáng)塑料 薄片)的方法通過利用圖1所示裝置1來實(shí)現(xiàn)。 在本實(shí)施例中，角頻率為160Hz，焊接時(shí)間為3秒。焊接時(shí)間為支架相對(duì)纖維增強(qiáng) 塑料運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，熱塑性材料和纖維增強(qiáng)塑料之間的預(yù)定壓力在此實(shí)施例中為1.0巴。焊 接過程在此實(shí)施例中通過焊接時(shí)間來調(diào)節(jié)，即焊接過程每次為3秒。在這些實(shí)施例中，確定 拉伸剪切強(qiáng)度。 通過實(shí)施例2的參數(shù)獲得的，熱塑性材料和纖維增強(qiáng)塑料之間的接合，具有非常 好的拉伸剪切強(qiáng)度，足以使用于支撐重物的熱塑性材料支架連接至纖維增強(qiáng)塑料元件。
雖然上述實(shí)施例中描述的是運(yùn)動(dòng)焊接，但是本發(fā)明并不限于運(yùn)動(dòng)焊接。根據(jù)本發(fā) 明，可以采用任何類型的焊接，以產(chǎn)生足夠的熱量使根據(jù)本發(fā)明的接合可以實(shí)現(xiàn)。例如，熱 也可以通過輻射，尤其是紅外線焊接或激光焊接。作為選擇或在此基礎(chǔ)上，熱也可以通過對(duì) 流產(chǎn)生，尤其是熱氣焊接或擠壓焊接或利用熱空氣的非接觸焊接。 另外，熱塑性材料可以通過感應(yīng)焊接與纖維復(fù)合材料焊接在一起。為此目的，在熱 塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料中產(chǎn)生足夠的熱量，以 使熱塑性材料開始熔化而纖維復(fù)合材料被加熱。在感應(yīng)焊接中，導(dǎo)電材料通電，通過電阻效 應(yīng)和/或磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)熱。優(yōu)選地，為了產(chǎn)生感應(yīng)熱，可以在熱塑性材料和纖維復(fù)合材 料之間的接合區(qū)域設(shè)置金屬顆粒和/或金屬層。 雖然本發(fā)明已經(jīng)通過支架與纖維增強(qiáng)塑料接合的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并 不限于將支架和纖維增強(qiáng)材料接合。根據(jù)本發(fā)明，含有熱塑性材料的其他物體也可以與纖 維復(fù)合材料接合，尤其是纖維增強(qiáng)塑料。本發(fā)明并不局限于特定支架的形狀。
此外，本發(fā)明并不局限在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā) 明，在纖維復(fù)合材料和熱塑性材料接觸期間，兩種材料之間的任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)均可以采用，以 產(chǎn)生焊接過程所需的運(yùn)動(dòng)熱。另外，相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以是直線運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明不局限于實(shí)施例中的壓力、焊接時(shí)間、焊接深度或頻率。如上所述，根據(jù)本 發(fā)明，熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的任何所需相對(duì)運(yùn)動(dòng)均可以采用，纖維復(fù)合材料和 熱塑性材料之間任何所需的壓力均可以采用，只要產(chǎn)生足夠的運(yùn)動(dòng)熱，以將兩種材料焊接
在一起。
權(quán)利要求
一種將熱塑性材料(10)和纖維復(fù)合材料(11)接合的方法，其特征在于將所述熱塑性材料(10)焊接至所述纖維復(fù)合材料(11)，其中所述纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)基體材料或包括纖維增強(qiáng)基體材料，其中所述基體材料為熱固性材料或包括熱固性材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過運(yùn)動(dòng)焊接將所述熱塑性材料(10)與所述纖維復(fù)合材料(11)焊接在一起。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在運(yùn)動(dòng)焊接期間，所述熱塑性材料(10)和所述纖維復(fù)合材料(11)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使得所述熱塑性材料(10)開始熔化而所述纖維復(fù)合材料(11)被加熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在運(yùn)動(dòng)焊接期間，所述熱塑性材料(10)和所述纖維復(fù)合材料(11)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述熱塑性材料(10)和所述纖維復(fù)合材料(11)彼此相互擠壓，從而使得所述熱塑性材料(10)開始熔化而所述纖維復(fù)合材料(11)被加熱。
5. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于通過感應(yīng)焊接將所述熱塑性材料與所述纖維復(fù)合材料焊接在一起。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在所述熱塑性材料和所述纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)電材料，在該導(dǎo)電材料中產(chǎn)生足夠的感應(yīng)熱，使所述熱塑性材料開始熔化而所述纖維復(fù)合材料被加熱。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電材料為開槽、繃緊的金屬箔。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于利用中頻或高頻產(chǎn)生所述感應(yīng)熱。
9. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述纖維復(fù)合材料的纖維為單向取向或形成編織物。
10. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述纖維復(fù)合材料(11)包括碳纖維和/或玻璃纖維，優(yōu)選碳纖維增強(qiáng)材料和/或玻璃纖維增強(qiáng)材料。
11. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于利用樹脂，尤其是利用加聚和/或縮聚樹脂，制造所述纖維復(fù)合材料(11)。
12. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述纖維復(fù)合材料(11)設(shè)置在蜂窩結(jié)構(gòu)(15)上，該蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)選Nomex蜂窩。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述蜂窩結(jié)構(gòu)(15)被形成為一層，所述纖維復(fù)合材料(11)設(shè)置在所述蜂窩結(jié)構(gòu)(15)的相對(duì)的兩側(cè)。
14. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述熱塑性材料(10)由一種或多種工程熱塑性塑料組成或包括一種或多種工程熱塑性塑料。
15. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述熱塑性材料(10)由聚酰胺組成或包括聚酰胺。
16. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述熱塑性材料(10)為支架(33)的組成成分，或者說所述支架(33)由所述熱塑性材料(10)構(gòu)成，所述纖維復(fù)合材料(11)為元件(32)的組成成分或者說所述元件(32)由所述纖維復(fù)合材料(11)構(gòu)成，這樣，所述支架(33)的所述熱塑性材料(10)與所述元件(32)的所述纖維復(fù)合材料(11)被焊接在一起，使所述支架(33)和所述元件(32)接合，以形成支架結(jié)構(gòu)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述元件為航空器(30)內(nèi)的側(cè)壁板，和/或所述航空器的帽架箱或者所述側(cè)壁板的一部分和/或所述帽架箱的一部分；所述側(cè)壁板優(yōu)選位于所述航空器內(nèi)的空間(31)中的側(cè)壁板，所述空間(31)為在操作時(shí)可加壓的空間。
18. 根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述方法應(yīng)用在航空器(30)中，優(yōu)選應(yīng)用在航空器(30)中的、在操作時(shí)可加壓的空間(31)內(nèi)。
19. 一種包含熱塑性材料(10)和纖維復(fù)合材料(11)的裝置，其特征在于所述熱塑性材料(10)和所述纖維復(fù)合材料(11)具有接合處，其中所述纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)基體材料或包含纖維增強(qiáng)基體材料，其中所述基體材料為熱固性材料或包含熱塑性材料，所述接合處是用根據(jù)權(quán)利要求1至18任意一項(xiàng)所述的方法獲得的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于所述裝置包括一系列的層，第一層包含熱塑性材料(10)或由熱塑性材料(10)組成，第二層與所述第一層通過所述接合處接合，該第二層包含纖維復(fù)合材料(11)或由纖維復(fù)合材料(11)組成，第三層(12)設(shè)置在所述第二層遠(yuǎn)離所述接合處的一側(cè)、并包含蜂窩結(jié)構(gòu)和/或泡沫結(jié)構(gòu)或者由蜂窩結(jié)構(gòu)和/或泡沫結(jié)構(gòu)組成。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的裝置，其特征在于所述裝置包括具有支架(33)和元件(32)的支架結(jié)構(gòu)，所述熱塑性材料(10)為所述支架(33)的一種組成成分，或者說所述支架(33)包含所述熱塑性材料(IO)，所述纖維復(fù)合材料(11)為所述元件(32)的一種組成成分或者說所述元件(32)包含所述纖維復(fù)合材料(ll)，所述支架(33)與所述元件(32)通過所述接合處接合。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述元件為航空器(30)的側(cè)壁板，和/或所述航空器(30)的帽架箱或者所述側(cè)壁板的一部分和/或所述帽架箱的一部分；所述側(cè)壁板優(yōu)選位于所述航空器中的操作時(shí)可加壓的空間(31)內(nèi)的側(cè)壁板，最好是位于航空器的艙室空間內(nèi)的側(cè)壁板。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于所述支架結(jié)構(gòu)設(shè)置在航空器(30)中，優(yōu)選設(shè)置在所述航空器(30)中的操作時(shí)可加壓的空間內(nèi)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19至23任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述裝置為航空器(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將熱塑性材料(10)和纖維復(fù)合材料(11)接合的方法，所述熱塑性材料(10)焊接至所述纖維復(fù)合材料(11)，其中所述纖維復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)基體材料或包括纖維增強(qiáng)基體材料，其中所述基體材料為熱固性材料或包括熱固性材料。優(yōu)選地，所述熱塑性材料(10)和所述纖維復(fù)合材料(11)通過運(yùn)動(dòng)焊接和/或感應(yīng)焊接在一起。另外，優(yōu)選地，對(duì)于感應(yīng)焊接，在熱塑性材料和纖維復(fù)合材料之間的接合區(qū)域設(shè)置導(dǎo)電材料，從而在導(dǎo)電材料中產(chǎn)生感應(yīng)熱，使熱塑性材料開始熔化而纖維復(fù)合材料被加熱。
文檔編號(hào)B29C65/00GK101730618SQ200880008696
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者喬治·華盛戈?duì)? 約根·申克, 薩賓·沃洛奇 申請(qǐng)人:Airbus Operations有限公司;Eads德國(guó)有限公司