本發(fā)明屬于熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料與焊接，尤其是一種熱塑性復(fù)合材料電阻焊接用的加熱元件。

背景技術(shù)：

1、與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、成型快、耐環(huán)境性優(yōu)良、可回收與可修復(fù)等特點(diǎn)，成為備受青睞的新一代輕量化材料與支撐新一代航空航天、汽車(chē)制造、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

2、由于熱塑性復(fù)合材料在熔融-固結(jié)時(shí)無(wú)固化反應(yīng)，且重復(fù)成型時(shí)性能不受加熱及成型次數(shù)的影響，可通過(guò)焊接技術(shù)連接。與機(jī)械連接、膠接及其他焊接技術(shù)相比，熱塑性復(fù)合材料的電阻焊接的設(shè)備具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需復(fù)雜的表面清理、連接效率高、連接質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，已被用于連接空客a320、a330、a340-600、a350xwb、a380、?？薴50等機(jī)型的蒙皮、副翼、整流罩、梁肋、升降舵、結(jié)構(gòu)面板等構(gòu)件。

3、電阻焊的主要熱量來(lái)源為電流流經(jīng)加熱元件時(shí)產(chǎn)生電阻熱。當(dāng)界面溫度達(dá)到無(wú)定形聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶熔點(diǎn)時(shí)，熱塑性基體熔化，內(nèi)部高分子鏈的活動(dòng)能力增加，并在壓力作用下相互擴(kuò)散、纏結(jié)，冷卻后形成可靠連接。因此，加熱元件的材料種類(lèi)、形狀、尺寸、表面狀態(tài)等因素都影響著其導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，進(jìn)而密切影響著接頭性能。目前，常用于熱塑性復(fù)合材料電阻焊的加熱元件包括以不銹鋼網(wǎng)為主的金屬網(wǎng)、碳纖維材料以及其他特制的加熱元件。

4、但由于傳統(tǒng)加熱元件與空氣的自然對(duì)流傳熱較差，暴露于空氣中的部分溫度較高，焊件端部的溫度梯度較大，界面邊緣區(qū)域的溫度也明顯高于內(nèi)部，即產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)”，易產(chǎn)生端部過(guò)熱降解、接頭變形較大、連接強(qiáng)度降低等問(wèn)題。此外，加熱元件與熱塑性復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)電增強(qiáng)相接觸導(dǎo)致的電流分流、加熱元件與母材界面的結(jié)合性等都影響著接頭的最終質(zhì)量。為有效解決上述問(wèn)題，需要?jiǎng)?chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化熱量分布，及時(shí)疏散邊緣區(qū)域的熱量，降低邊緣效應(yīng)的影響。

5、目前的解決方法包括施加脈沖電壓或線性電壓、優(yōu)化夾持距離、適當(dāng)提高功率、冷卻焊件端部、減小接合區(qū)加熱元件長(zhǎng)度等調(diào)整焊接工藝，但都沒(méi)有對(duì)加熱元件進(jìn)行減少邊緣效應(yīng)的設(shè)計(jì)。

6、通過(guò)檢索，發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)相關(guān)的公開(kāi)文獻(xiàn)：high?performancepolymers，2021，33(8)：892-904公開(kāi)了li等人發(fā)現(xiàn)對(duì)加熱元件進(jìn)行噴砂、芳基重氮接枝、硅烷接枝等表面處理方法都能提高結(jié)合性，并優(yōu)選了硅烷接枝處理方法，接頭的ifss與lss分別為38mpa與45mpa，比未處理的接頭分別提高了36％與23％，但也沒(méi)有有效解決焊接時(shí)邊緣效應(yīng)明顯的問(wèn)題。

7、通過(guò)檢索，發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)相關(guān)的公開(kāi)專(zhuān)利：中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)：cn110356012b公開(kāi)了一種cnt陣列原位生長(zhǎng)修飾的金屬網(wǎng)加熱元件的方法，在金屬網(wǎng)上制備了導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好且力學(xué)性能好的cnt，改善了界面結(jié)合強(qiáng)度與金屬網(wǎng)的發(fā)熱特性，但容易因cnt陣列排布不均勻?qū)е聼崃總鲗?dǎo)不均勻。

8、綜合來(lái)看，上述方法在解決邊緣效應(yīng)、電流分流、提高結(jié)合性等方面都存在各自的局限性，實(shí)際效果和適用性都受限。開(kāi)發(fā)一種既能夠有效減少邊緣效應(yīng)，又能夠有效絕緣，進(jìn)而減少電流分流，還能夠提高與母材的結(jié)合性的加熱元件，對(duì)熱塑性復(fù)合材料的電阻焊接技術(shù)意義重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種熱塑性復(fù)合材料電阻焊接用的加熱元件，能夠有效優(yōu)化熱量分布，及時(shí)疏散加熱元件邊緣區(qū)域的熱量，降低邊緣效應(yīng)的影響。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種熱塑性復(fù)合材料電阻焊接用的加熱元件，包括復(fù)合在一起的產(chǎn)熱區(qū)域、導(dǎo)熱區(qū)域及絕緣層；

4、其中，所述產(chǎn)熱區(qū)域用作發(fā)熱體，且產(chǎn)熱區(qū)域的導(dǎo)電層為高發(fā)熱率材料或進(jìn)行表面改性后的碳纖維、不銹鋼網(wǎng)；

5、所述導(dǎo)熱區(qū)域位于產(chǎn)熱區(qū)域電流流經(jīng)方向的兩側(cè)并與產(chǎn)熱區(qū)域相連，且所述導(dǎo)熱區(qū)域?yàn)楦邔?dǎo)電率材料；

6、所述絕緣層分別位于產(chǎn)熱區(qū)域及導(dǎo)熱區(qū)域的上下兩側(cè)，且所述絕緣層為熱塑性樹(shù)脂薄膜、絕緣纖維氈、絕緣無(wú)紡布中的至少一種。

7、而且，所述高發(fā)熱率材料為金屬網(wǎng)、單向連續(xù)碳纖維束、碳纖維織物、碳纖維絲與金屬絲的混編網(wǎng)、碳纖維與有機(jī)纖維的混編網(wǎng)中的至少一種。

8、而且，表面改性為硅烷處理、制備金屬氧化物涂層、氧化處理、化學(xué)蝕刻或原位制備碳納米管。

9、而且，所述產(chǎn)熱區(qū)域的高發(fā)熱率材料為金屬網(wǎng)時(shí)，金屬絲的材質(zhì)包括但不限于不銹鋼、鐵、黃銅、鈷或鎳，且金屬絲的直徑為0.02～0.6mm，金屬絲的間距為0.04～2.5mm，金屬絲的網(wǎng)孔形態(tài)包括但不限于矩形、菱形、圓形或多邊形；和/或

10、所述產(chǎn)熱區(qū)域的高發(fā)熱率材料為單向連續(xù)碳纖維束時(shí)，其碳纖維絲束規(guī)格為1～24k；和/或

11、所述產(chǎn)熱區(qū)域的高發(fā)熱率材料為碳纖維織物時(shí)，編織形式包括但不限于平紋編織、斜紋編織、緞紋編織、單向編織、多軸向編織或特殊編織，織物的面密度為5～150g/m2，織物的碳纖維絲束規(guī)格為0.2～3k；和/或

12、所述產(chǎn)熱區(qū)域的高發(fā)熱率材料為碳纖維與有機(jī)纖維的混編網(wǎng)時(shí)，織物的面密度為25～350g/m2，碳纖維絲束規(guī)格為2k～13k，有機(jī)纖維包括但不限于聚酯、聚酰胺、酯酰亞胺、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯腈、對(duì)苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑或聚苯撐吡啶并二咪唑，且所述碳纖維的方向與電流方向一致，并與兩側(cè)的導(dǎo)熱區(qū)域緊密結(jié)合；和/或

13、所述產(chǎn)熱區(qū)域的高發(fā)熱率材料為碳纖維絲與金屬絲的混編網(wǎng)時(shí)，織物的面密度為35～550g/m2，碳纖維絲束的規(guī)格為0.2～3k，金屬絲包括但不限于不銹鋼、鐵、黃銅、鈷、鎳，且所述碳纖維或金屬絲的方向與電流方向一致，并與兩側(cè)的導(dǎo)熱區(qū)域緊密結(jié)合。

14、而且，所述導(dǎo)熱區(qū)域的高導(dǎo)電率材料為銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)；

15、所述銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)的金屬絲直徑為0.02～0.6mm，銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)的網(wǎng)間距為0.04～2.5mm。

16、而且，所述高發(fā)熱率材料的電阻率大于6.0×10-7ω·m，所述高導(dǎo)電率材料的電阻率小于3.0×10-8ω·m。

17、而且，所述產(chǎn)熱區(qū)域的金屬網(wǎng)與導(dǎo)熱區(qū)域的銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)的尺寸相同；

18、所述產(chǎn)熱區(qū)域?yàn)榻饘倬W(wǎng)時(shí)，其與導(dǎo)熱區(qū)域之間的焊接方式為電阻焊、超聲波焊、激光焊或釬焊。

19、而且，所述產(chǎn)熱區(qū)域?yàn)閱蜗蜻B續(xù)碳纖維束、碳纖維織物、碳纖維絲與金屬絲的混編網(wǎng)、碳纖維與有機(jī)纖維混編網(wǎng)時(shí)，其與導(dǎo)熱區(qū)域的連接方式為通過(guò)編織方式連接。

20、而且，所述絕緣層為熱塑性樹(shù)脂薄膜時(shí)，其密度小于等于150g/m2；

21、所述絕緣層為絕緣纖維氈時(shí)，包括但不限于短切氈、連續(xù)氈、表面氈或復(fù)合氈，且面密度小于等于150g/m2，纖維絲束規(guī)格為0.2～3k；

22、所述絕緣層為絕緣無(wú)紡布時(shí)，織物的編織形式包括但不限于平紋編織、斜紋編織、緞紋編織、單向編織、多軸向編織或特殊編織，且面密度為5～150g/m2。

23、而且，母材與熱塑性樹(shù)脂薄膜的熱塑性基體包括無(wú)定型聚合物：聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚碳酸酯合金、聚苯醚、聚丙烯醚、聚醚酰亞胺、聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、聚酰胺-imide、聚苯并咪唑、聚酰亞胺、熱塑性聚酰亞胺；

24、還包括半結(jié)晶聚合物：聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚酰胺、聚己內(nèi)酰胺、聚己二酰己二胺、聚對(duì)苯二甲酸丁酯、交聯(lián)聚乙烯、聚甲醛、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯共聚物、聚偏二氯乙烯、超高分子量聚乙烯、聚十一酰胺、聚十二酰胺、聚芳烴樹(shù)脂、對(duì)位芳香族聚酰胺、聚鄰苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、液晶聚合物、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚腈酮、聚醚砜酮、聚醚腈砜、聚醚腈、含二氮雜萘酮聚芳醚酮、含二氮雜萘酮聚芳醚腈酮、含二氮雜萘酮聚芳醚砜酮、含二氮雜萘酮聚芳醚腈砜、含二氮雜萘酮聚芳醚腈、聚甲醛；

25、增強(qiáng)相包括纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、片狀增強(qiáng)、織物增強(qiáng)、泡沫增強(qiáng)、納米粒子增強(qiáng)；

26、其中，所述絕緣層為熱塑性樹(shù)脂薄膜時(shí)，熱塑性樹(shù)脂薄膜的材質(zhì)與熱塑性基體一致。

27、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

28、1、本發(fā)明通過(guò)將傳統(tǒng)的加熱元件與導(dǎo)熱性優(yōu)良的銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)等復(fù)合，有效減少了邊緣效應(yīng)對(duì)接頭性能的影響。通過(guò)優(yōu)化的材料組合與新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效分散了熱塑性復(fù)合材料電阻焊過(guò)程中界面邊緣處過(guò)多的電阻熱，減小了焊件端部的溫度梯度，有效解決了邊緣效應(yīng)及邊緣效應(yīng)造成的端部過(guò)熱、表面熔化與講解過(guò)多、接頭變形較大、連接強(qiáng)度降低等問(wèn)題。

29、2、本發(fā)明通過(guò)在產(chǎn)熱區(qū)域與導(dǎo)熱區(qū)域添加絕緣層，以及在產(chǎn)熱區(qū)域與導(dǎo)熱區(qū)域表面制備氧化物涂層等方式，有效保證了熱塑性復(fù)合材料電阻焊時(shí)加熱元件與界面處的任何導(dǎo)電部位絕緣，阻隔了因加熱元件與焊件內(nèi)部的導(dǎo)電纖維等接觸時(shí)產(chǎn)生新的導(dǎo)電路徑而產(chǎn)生的電流分流，也消除了因電流分流導(dǎo)致加熱元件的電流密度降低、產(chǎn)熱不足、界面溫度不均勻等問(wèn)題，提高了界面連接強(qiáng)度與接頭性能。

30、3、本發(fā)明通過(guò)在上下兩側(cè)添加與熱塑性復(fù)合材料基體相同或相似的絕緣層，促使熱塑性基體高分子鏈在電阻焊時(shí)能夠更好地流動(dòng)擴(kuò)散并填充界面間隙，減少因熱塑性基體不足而導(dǎo)致的孔洞、裂紋等焊接缺陷，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、一致性和可靠性，并一定程度上延長(zhǎng)了使用壽命。

31、4、本發(fā)明的適用范圍廣，既可以用于電阻焊連接種類(lèi)繁多的熱塑性樹(shù)脂及其復(fù)合材料、熱固性樹(shù)脂及其復(fù)合材料或其中的一種或幾種，又可以根據(jù)不同樹(shù)脂及其復(fù)合材料的耐溫等級(jí)、應(yīng)用環(huán)境等條件進(jìn)行個(gè)性化定制。如熱塑性復(fù)合材料或熱固性復(fù)合材料的增強(qiáng)相均包括纖維、顆粒、片狀、織物、泡沫、納米粒子等；其中，僅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維又包括玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、硼纖維、陶瓷纖維、聚乙烯纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維、pbo纖維、天然纖維等。

32、5、本發(fā)明的工藝可選范圍大，參數(shù)工藝窗口更寬，本發(fā)明基于金屬網(wǎng)、單向碳纖維與碳纖維織物等傳統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料用的加熱元件，既可以直接將傳統(tǒng)加熱元件作為本發(fā)明的產(chǎn)熱區(qū)域，也可以先對(duì)其進(jìn)行硅烷處理、制備金屬氧化物涂層、氧化處理、化學(xué)蝕刻、原位制備碳納米管(cnt)等表面改性處理，再作為本發(fā)明的產(chǎn)熱區(qū)域。同時(shí)本發(fā)明能有效提高生產(chǎn)效率，減少因邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的不良品率，縮短焊接周期，提高生產(chǎn)效率和焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。