技术领域
[0001] 本
发明涉及航空材料连接技术领域，特别涉及一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法。
背景技术
[0002] 轻质合金和复合材料是航空领域最重要的两种结构材料；轻质合金和复合材料之间的连接技术是影响
飞行器制造装配的关键技术之一。机械紧固连接是目前最主要的轻质合金和复合材料连接方式；然而栓接和
铆接过程均需要对轻质合金和复合材料钻孔，该过程破坏了材料的完整性，降低连接
母材本体
力学强度；连接区域也存在极大的
应力集中，影响连接头长期承载的
稳定性。另外，大量
螺栓和
铆钉的使用导致结构件整体重量明显增加。胶接技术能够克服机械紧固连接存在的问题，然而，与机械紧固连接和
焊接相比，胶接接头的耐久性和疲劳强度较低。胶层本体破裂以及胶接剂与轻质合金表面脱粘是轻质合金和复合材料异质胶接头最常见的失效模式。
[0003] 基于此，通常采用磨损、
喷砂等机械打磨、酸/
碱/电化学
刻蚀以及等离子或激
光刻蚀等处理方法改变轻质合金表面的形貌和化学特性，提高胶接剂与轻质合金表面不规则凹坑间的机械互
锁作用、物理
吸附作用以及化学键接作用，从而强化粘结胶层与轻质合金界面强度。然而，这些处理方法对轻质合金本身性能有一定的损害；另外，处理过程需要特殊处理设备或造成环境污染。在胶接剂中添加
碳纳米管(CNT)、
石墨烯等纳米刚性粒子能够改善胶层的力学强度；然而，由于
纳米粒子的团聚效益，导致其在胶接剂中难以均匀分散，影响胶接剂的施工工艺性能。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的问题，本发明提供了一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法。本发明解决技术问题的主要途径是通过火焰法合成工艺(催化剂与火焰发生作用)，在轻质合金胶接区域表面原位生长
碳纳米管层(CNT层)，进而利用CNT层同步增强胶接剂与轻质合金间界面强度以及胶层的本体强度，从而实现轻质合金和复合材料异质胶接接头力学性能的改善。本发明方法简单快捷，成本极低，在航空航天、交通运输等轻质合金和复合材料异质胶接领域具有广泛的应用前景。
[0005] 本发明的一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1：轻质合金表面预处理
[0007] 将轻质合金待胶接区域表面的
氧化膜去除，得到预处理的轻质合金；
[0008] 步骤2：火焰法制备CNT层
[0009] 将催化剂溶液均匀
喷涂在预处理的轻质合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的轻质合金；
[0010] 将负载催化剂的轻质合金置于燃烧火焰中，在800～1100℃保持3～20min，轻质合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，得到负载CNT层的轻质合金；其中，燃耗火焰的
燃料为C1～C7的碳氢化合物；
[0011] 步骤3：胶接
[0012] 将胶接剂均匀涂抹在负载CNT层的轻质合金的待胶接区域表面，与复合材料贴合，施加压力，采用胶接剂的
固化工艺固化，得到轻质合金和复合材料的胶接结构。
[0013] 其中，
[0014] 所述的轻质合金为
铝合金、
钛合金、铝锂合金、铝镁合金中的一种。
[0015] 所述的复合材料为增强
纤维和
树脂复合制备的复合材料。
[0016] 所述的增强纤维为玻璃纤维、
碳纤维、芳纶纤维或PBO纤维中的一种；所述的树脂为
环氧树脂、双
马树脂、氰酸酯树脂或
酚醛树脂中的一种。
[0017] 所述的步骤1中，还可以进行轻质合金
表面处理改性；所述的表面处理改性方法为磨损、喷砂、机械打磨、酸/碱蚀刻、电化学刻蚀、等离子刻蚀和激光刻蚀中的一种或几种。
[0018] 所述的步骤2中，所述的催化剂溶液中，催化剂为氯化
铁、氯化镍、氯化钴、
硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴中的一种或几种，优选为硝酸镍。
[0019] 所述的步骤2中，所述的催化剂溶液，其物质的量的浓度为0.5～2mol/L，优选为1mol/L。
[0020] 所述的步骤2中，所述的燃烧火焰为
乙醇火焰、甲醇火焰、甲烷火焰、
丁烷火焰、庚烷火焰、丙
酮火焰、乙炔火焰或乙烯火焰中的一种或几种，优选为乙醇火焰；
[0021] 所述的步骤2中，生长
温度优选为1000℃，保持时间优选为10min。
[0022] 所述的步骤3中，作为优选，所述的胶接剂为环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂中的一种。
[0023] 本发明的一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，其有益效果为：
[0024] 1)本发明采用火焰法在轻质合金胶接区域表面原位生长CNT层，并利用CNT层增强轻质合金表面和胶接剂的界面强度以及胶接头胶层的本体强度，从而提高轻质合金和复合材料异质胶接结构的力学强度。由于燃烧的火焰同时提供适合CNT生产的富碳环境和所需的热量，且不需要昂贵的设备；因此该方法可以大规模的应用于航空航天各种轻质合金和复合材料异质胶接结构的力学性能强化。
[0025] 2)本发明的方法不损坏轻质合金本体性能，实施过程简单、成本极低、消耗低、绿色环保、灵活性大、适应性强、容易工业化推广。
[0026] 3)本发明的方法不仅可以单独使用，也可以与磨损、喷砂、机械打磨、酸/碱蚀刻、电化学刻蚀、等离子刻蚀和激光刻蚀等传统的轻质合金表面处理改性工艺联合使用，由于多种作用的耦合能够获得更优异的改性效果。
附图说明
[0027] 图1为实施实例1中
铝合金表面原位生长CNT层的SEM图；
[0028] 图2为实施实例1中铝合金和玻纤/环氧(GF/EP)复合材料单搭接胶接头结构示意图：1-GF/EP复合材料；2-铝合金；3-富CNT增强环氧树脂胶层；4-少量CNT增强环氧树脂胶层具体实施方式
[0029] 为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成效果易于了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本发明。
[0030] 以下
实施例中，所有的环氧树脂胶接剂均是指已含固化剂的胶黏剂。
[0031] 对比例
[0032] 一种轻质合金和复合材料胶接的方法，包括以下步骤：
[0033] 步骤I：轻质合金表面预处理
[0034] 将轻质金样件用400目
砂纸打磨，去除表面的氧化膜，得到预处理后的轻质合金；
[0035] 步骤II：胶接
[0036] 将胶接剂均匀涂抹在预处理后的轻质合金待胶接表面，然后与复合材料搭接，施加压力，固化、冷却，得到轻质合金和复合材料单搭接胶接头样件。
[0037] 实施例1
[0038] 一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：
[0039] 步骤1：轻质合金表面预处理
[0040] 将铝合金样件用400目砂纸打磨，去除表面的氧化膜，得到预处理后的铝合金；
[0041] 步骤2：火焰法制备CNT层
[0042] 将物质的量浓度为1mol/L的硝酸镍溶液通过
喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的铝合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的铝合金；
[0043] 将负载催化剂的铝合金表面放在酒精火焰温度为800℃的
位置处，停留10分钟，在铝合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，制备出负载CNT层的铝合金；对制备的负载CNT层的铝合金表面进行SEM扫描，得到的铝合金表面原位生长CNT层的SEM图见图1。
[0044] 步骤3：胶接
[0045] 将环氧树脂均匀涂抹在负载CNT层的铝合金待胶接表面，然后与玻璃纤维增强环氧树脂(GF/EP)复合材料搭接，施加压力，固化、冷却，得到铝合金-GF/EP复合材料单搭接胶接头样件，其结构示意图见图2。与采用对比例的方法制备的仅经过砂纸打磨的铝合金单搭异质胶接头相比，本发明的原位CNT层增强铝合金-GF/EP复合材料单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高32％。
[0046] 实施例2
[0047] 一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：
[0048] 步骤1：轻质合金表面预处理
[0049] 将钛合金样件用400目砂纸打磨，去除表面的氧化膜，得到预处理后的钛合金；
[0050] 步骤2：火焰法制备CNT层
[0051] 将物质的量浓度为1mol/L的硝酸镍溶液通
过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的钛合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的钛合金；
[0052] 将负载催化剂的钛合金表面放在酒精火焰温度为1000℃的位置处，停留20分钟，在钛合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，制备出负载CNT层的钛合金。
[0053] 步骤3：胶接
[0054] 将双马树脂均匀涂抹在负载CNT层的钛合金待胶接表面，然后与碳纤维增强双马树脂(CF/BMI)复合材料搭接，施加压力，固化、冷却，得到钛合金-CF/BMI复合材料单搭接胶接样件。与采用对比例的方法制备的仅经过砂纸打磨的钛合金单搭异质胶接头相比，本发明的原位CNT层增强钛合金-CF/BMI复合材料单搭头的拉伸剪切强度(LSS)提高46％。
[0055] 实施例3
[0056] 一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：
[0057] 步骤1：轻质合金表面预处理
[0058] 将铝镁合金样件采用喷砂处理，去除表面的氧化膜的同时，增加其表面的粗糙度，得到预处理后的铝镁合金；
[0059] 步骤2：火焰法制备CNT层
[0060] 将物质的量浓度为0.5mol/L的氯化铁溶液通过喷枪均匀喷涂在经过喷砂预处理的铝镁合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的铝镁合金；
[0061] 将负载催化剂的铝镁合金表面放在甲醇和乙醇火焰温度为900℃的位置处，停留15分钟，在铝镁合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，制备出负载CNT层的铝镁合金。
[0062] 步骤3：胶接
[0063] 将酚醛树脂均匀涂抹在负载CNT层的铝镁合金待胶接表面，然后与芳纶纤维增强酚醛树脂复合材料搭接，施加压力为1MPa，固化、冷却，得到铝镁合金-芳纶纤维增强酚醛树脂复合材料单搭接胶接样件。
[0064] 实施例4
[0065] 一种增强轻质合金和复合材料胶接界面粘结强度的方法，包括以下步骤：
[0066] 步骤1：轻质合金表面预处理
[0067] 将铝锂合金样件用激光刻蚀，去除表面的氧化膜的同时增加其表面粗糙度，得到预处理后的铝锂合金；
[0068] 步骤2：火焰法制备CNT层
[0069] 将物质的量浓度为2mol/L的硝酸钴和氯化钴的混合溶液(摩尔比为1:1)通过喷枪均匀喷涂在经过打磨预处理的铝锂合金待胶接区域表面，烘干，得到负载催化剂的铝锂合金；
[0070] 将负载催化剂的铝锂合金表面放在乙烯火焰温度为1100℃的位置处，停留5分钟，在铝锂合金待胶接区域生长出互相纠缠的CNT层，制备出负载CNT层的铝锂合金。
[0071] 步骤3：胶接
[0072] 将双马树脂均匀涂抹在负载CNT层的铝锂合金待胶接表面，然后与PBO纤维增强双马树脂复合材料搭接，施加压力，固化、冷却，得到铝锂合金-PBO纤维增强双马树脂复合材料单搭接胶接样件。
