1.本发明涉及复合材料异种连接技术领域，具体而言是一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法。
背景技术：2.现如今由于汽车轻量化发展，碳纤维复合材料已经进入了汽车制造领域，而热塑性树脂基碳纤维复合材料因为其可二次成型、可回收利用、储存方便等特点被广泛应用。在车身制造中异种材料的连接是不可避免的，从而引出了热塑性树脂基碳纤维复合材料与轻质金属铝的连接问题。
3.为满足轻量化要求选用无铆连接作为热塑性树脂基碳纤维复合材料与铝的主要连接方式。无铆钉连接又叫“冲压连接”，它是借助作用在凸模上的冲压力，通过拉深和挤压将材料挤压进入凹模，使被连接板料间形成具有一定连接强度的铆接点，是一种可塑性薄板的不可拆卸式点的连接技术，且不使用连接元件和附加材料。
4.现有无铆连接技术大多是针对金属与金属之间冷压接方式，由于热塑性树脂基碳纤维复合材料在高温下才具有流动性，对于其与铝板的连接需要进行热压接方式。如何改善连接工艺以及对连接界面和连接点的处理方式从而提高连接强度成为问题的关键。
技术实现要素：5.根据上述技术问题，而提供一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，包括：
8.s1：制备热塑性树脂基碳纤维复合层板；
9.s2：对铝板进行表面处理；
10.s3：将所述铝板与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板无铆热压连接，得到连接件；
11.s4：在所述连接件的连接点凹陷处加入环氧树脂。
12.在步骤s1中，所述热塑性碳纤维层板制备方法如下：
13.将树脂基碳纤维预浸带按照正交方向剪裁后铺层，得到预制件，将所述预制件放入模具中加热至240℃使树脂基变为熔融态，保温1h后随炉降至室温，此时树脂基由熔融态缓慢结晶得到所述热塑性树脂基碳纤维层板。
14.在所述步骤s2中，对所述铝板进行表面处理方法如下：
15.将所述铝板的待结合表面机械打磨为粗糙表面，之后对粗糙表面进行阳极氧化，得到阳极氧化膜。阳极氧化方法为：将所述铝板作为电极阳极，不锈钢板作为电极阴极，放入100g/l的磷酸溶液中，氧化电压维持在25v，在氧化过程中通过搅拌器将磷酸电解溶液搅拌均匀并维持在25℃，氧化时长为20min，阳极氧化完成后用去离子水将铝板冲洗并风干，目的是利用电解作用，在所述铝板表面形成阳极氧化膜，加强其与树脂的结合能力。
16.在所述步骤s3中，所述铝板与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板无铆热压连接的方法为：
17.将所述铝板整体用于丙酮溶液擦拭干净，冲压模具涂敷脱模剂后将所述热塑性碳纤维层板放到下层，所述铝板与所述热塑性碳纤维层板的接触区域内均匀涂上一层纳米铝粉，将所述铝板放到上层后用压边装置固定，将冲压模具放入加热炉中加热至240℃后保温1h，进行冲压，最佳冲程为2.7mm，冲压完成后保压降至室温，得到所述连接件。
18.在所述步骤s4中，将所述环氧树脂与固化剂结合后加入纳米氧化铝粉，之后倒入所述连接点凹陷内，室温静置24h后固化。
19.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
20.无铆连接前，在热塑性树脂基碳纤维层板与铝板之间加入纳米铝粉。高温时树脂融化，纳米铝粉与其融合。进行无铆连接时，主连接区(冲压区域)模具的冲压力扩散到副连接区，使得铝板与碳纤维板更好的结合。无铆连接后，在连接点凹陷处填充与氧化铝融合的环氧树脂来改善颈部应力集中，避免颈部可能存在的断裂缺陷造成服役连接失效。以上工艺相结合来提高热塑性树脂基复合材料与铝板接头的连接强度。
21.基于上述理由本发明可在复合材料异种连接等领域广泛推广。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明具体实施方式中铝板与热塑性碳纤维层板无铆连接示意图。
24.图2为本发明具体实施方式中接触区域涂纳米铝粉示意图。
25.图3为本发明具体实施方式中连接点凹槽填充环氧树脂及其微观结构示意图。
26.图4为本发明具体实施方式中连接点凹槽填充环氧树脂后示意图。
27.图5为本发明具体实施方式中添加环氧树脂与未添加环氧树脂失效形式对比图，其中图a为添加环氧树脂失效形式图，图b为未添加环氧树脂失效形式图。
28.图6为本发明具体实施方式中对铝板表面处理和未处理的抗拉强度对比图。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
34.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
35.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
36.实施例1
37.如图1～5所示，一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，包括：
38.s1：制备1mm厚的热塑性树脂基碳纤维复合层板1；具体的，将0.2mm厚pa6树脂基碳纤维预浸带按照正交方向剪裁成25mm
×
60mm后分5层铺层，铺层完成后将预制件放入模具中加热至240℃使pa6树脂变为熔融态，保温1h后随炉降至室温，此时pa6树脂由熔融态缓慢结晶得到1mm厚25mm
×
60mm热塑性树脂基碳纤维层板1。
39.s2：对1mm厚的铝板2进行表面处理，铝板2采用铝合金，型号为6061；具体的，将铝板2剪裁成25mm
×
60mm后，通过砂纸将其打磨形成粗糙表面。再将打磨后的铝板2进行阳极氧化，其中将铝板2作为电极阳极不锈钢板作为电极阴极，放入100g/l的磷酸溶液中，氧化电压维持在25v，在氧化过程中通过搅拌器将磷酸电解溶液搅拌均匀并维持在25℃左右,氧化时长为20min。阳极氧化完成后用去离子水将铝板冲洗并风干，目的是利用电解作用，在铝合金表面形成阳极氧化膜，加强其与树脂的结合能力。
40.s3：将所述铝板2与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板1无铆热压连接，得到连接件；具体的，将阳极氧化后的铝板2用丙酮溶液擦拭干净，目的是清除表面杂质。将冲压模具3涂敷脱模剂后热塑性碳纤维层板1放到下层(如图1所示)，接触区域为25mm
×
25mm，在接触区域均匀涂上一层纳米铝粉4(如图2所示)，再将表面处理后的铝板1放到上层后用压边装置5固定。将冲压模具3放入加热炉中加热，设置加热温度为240℃。当冲压模具3温度达到设置温度后保温1h进行冲压，最佳冲程为2.7mm。冲压完成后保压降至室温，将试件从模具中取出得到连接件。
41.s4：在所述连接件的连接点凹陷处6加入环氧树脂(如图3所示)。具体的，将所述环氧树脂与固化剂结合后加入纳米氧化铝粉，之后倒入所述连接点凹陷6内，室温静置24h后固化，得到最终连接件(如图4所示)。
42.对比例1
43.本对比例中，只采用步骤s1和步骤s3得到连接件，不对铝板2表面进行处理。
44.对比例2
45.只采用实施例1中的步骤s1、s2和s3得到连接件，不采用步骤s4。
46.对比例3
47.在实施例1、对比例1和对比例2中冲压时，分别进行小于2.7mm冲程、2.7mm冲程、大于2.7mm冲程的实验，试验数据如下：当冲程小于2.7mm时，连接点未形成自锁结构，导致连接强度降低仅为506n。当冲程大于2.7mm时，导致连接件铝侧颈部过薄，连接强度为362n。
48.通过对比例1与对比例2进行对比可知，在对铝板2表面进行处理后在铝板2表面形成细微沟槽以及致密氧化膜增加了pa6树脂与铝板表面的接触面积，使连接件的抗拉强度达到1429n，而未进行表面处理的连接件的抗拉强度仅达到了255n(如图6)。
49.通过对比例2与实施例1进行对比可知，未在连接点凹陷6处加入环氧树脂时，由于连接件铝侧颈部存在应力集中，服役时会导致其断裂失效(如图5b)。而在凹陷处加入环氧树脂后避免了服役时铝侧颈部应力集中，使连接件断裂方式得到优化(如图5a)，增加了其连接强度达到了1619n。
50.通过对比例3可知，最佳冲程为2.7mm。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：1.一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，包括：s1：制备热塑性树脂基碳纤维复合层板；s2：对铝板进行表面处理；s3：将所述铝板与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板无铆热压连接，得到连接件；s4：在所述连接件的连接点凹陷处加入环氧树脂。2.根据权利要求1所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，在步骤s1中，所述热塑性碳纤维层板制备方法如下：将树脂基碳纤维预浸带按照正交方向剪裁后铺层，得到预制件，将所述预制件放入模具中加热使树脂基变为熔融态，保温后随炉降至室温，此时树脂基由熔融态进行结晶得到所述热塑性树脂基碳纤维层板。3.根据权利要求2所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，将所述预制件加热至240℃，保温1h。4.根据权利要求1所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，在所述步骤s2中，对所述铝板进行表面处理的方式如下：将所述铝板的待结合表面机械打磨为粗糙表面，之后对粗糙表面进行阳极氧化，得到阳极氧化膜。5.根据权利要求4所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，阳极氧化方法为：将所述铝板作为电极阳极，不锈钢板作为电极阴极，放入100g/l的磷酸溶液中，氧化电压维持在25v，在氧化过程中通过搅拌器将磷酸电解溶液搅拌均匀并维持在25℃，氧化时长为20min；阳极氧化完成后用去离子水将铝板冲洗并风干，在所述铝板表面形成阳极氧化膜。6.根据权利要求1所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，在所述步骤s3中，所述铝板与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板无铆热压连接的方法为：冲压模具涂敷脱模剂后将所述热塑性碳纤维层板放到下层，所述铝板与所述热塑性碳纤维层板的接触区域内均匀涂上一层纳米铝粉，将所述铝板放到上层后用压边装置固定，将冲压模具放入加热炉中加热保温后冲压，冲压完成后保压降至室温，得到所述连接件。7.根据权利要求6所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，将所述铝板涂抹纳米铝粉前，将所述铝板整体用于丙酮溶液擦拭干净。8.根据权利要求6所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，冲压模具放入加热炉中加热至240℃后保温1h进行冲压，最佳冲程为2.7mm。9.根据权利要求6所述的一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，其特征在于，在所述步骤s4中，将所述环氧树脂与固化剂结合后加入纳米氧化铝粉，之后倒入所述连接点凹陷内，室温静置24h后固化。
技术总结本发明提供一种热塑性碳纤维复合材料与铝板无铆热压连接方法，属于复合材料异种连接技术领域，包括S1：制备热塑性树脂基碳纤维复合层板；S2：对铝板进行表面处理；S3：将所述铝板与所述热塑性树脂基碳纤维复合层板无铆热压连接，得到连接件；S4：在所述连接件的连接点凹陷处加入环氧树脂。该方法通过对铝板的表面处理大大提高了两者的连接强度，加入环氧树脂改善改善颈部应力集中，避免颈部可能存在的断裂缺陷造成服役连接失效。这两项处理相结合从而提高了热塑性树脂基碳纤维复合材料与铝板无铆连接的连接强度。无铆连接的连接强度。无铆连接的连接强度。
技术研发人员：王健 李泽澳 严晓强 胥亮 王皑冬 乔天齐
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/11/1
