专利名称：一种高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接单元的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接单元的制备方法。
背景技术：
热塑性复合材料熔融连接(Fusion Bonding)技术主要是指通过一定的加热方式，使热塑性复合材料待连接面内树脂基体发生局部熔融，再经冷却固结到具有一定力学强度的连接结构的方法。热塑性复合材料的熔融连接技术原理上与金属材料的焊接过程有相似之处，因此习惯上又称为热塑性复合材料的焊接技术。与传统的机械铆接及胶接技术相比，热塑性复合材料的焊接技术最大的优点在于通用性强，工艺周期短(通常仅需数十秒至几 分钟)，连接强度高，可以最大限度的发挥高性能热塑性复合材料的性能优势。高效实用的热塑性复合材料焊接技术的研究开发将极大的推动高性能热塑性复合材料结构件整体制造水平的提高，促进热塑性复合材料低成本、高效率、一体化制造技术的发展。在熔融连接技术中，学者对电阻焊接、电磁感应焊接、超声波焊接等的研究最为广泛。但其中电磁感应焊接比较适用于长/薄型的结构，应用比较局限，而超声波焊接也存在超声波能量引入较为复杂等问题，因此，相比较而言，电阻焊接的应用前景更为广阔。电阻焊接需将加热单元植入到基体中，因此加热单元的性质对焊接件整体性能有很大的影响。传统电阻焊接单元常存在发热不均、易产生过热、过冲现象。
发明内容
本发明的目的是为克服电阻焊接存在过烧、过冲现象，而提供一种高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接单元的制备方法。使得焊接件及接合处受热更为均匀，提高焊接件与焊接单元的界面性能，加快焊接处的冷却速度，同时提高焊接件的力学性能及提高导电性能，缩短加热时间，节约能源，扩大电阻焊接的应用范围。本发明的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接单元的制备方法，其步骤如下 (1)将石墨烯微片和长度为3mnT6mm的短切碳纤维同时放在水中超声分散,抽滤,干燥，然后加入表面活性剂，搅拌均匀，得到混合填料，石墨烯微片、短切碳纤维和表面活性剂的重量比为1-15 :1-5 :0. 1-1 ；
(2)将步骤(I)的混合填料与热塑性树脂基体按重量比为I:1-4放在密炼机中于80°C-190°C,40r/min 条件下混炼；
(3)将混炼后的物料放在模具I中，在80°C-190°C、10-15MPa条件下压片、冷却成型，脱模得到片材；
(4)将步骤(3)的片材放入长度大于片材长度的模具2中，在片材两端与模具2端的空隙处分别加入导电材料，于80°C-190°C、10-15MPa条件下热压，冷却脱模，片材两端用砂纸磨，使得导电材料裸露在外，得到焊接单元。
通常，使片材两端与模具2端的空隙长度分别为2. 5mm。本发明中，所说的导电材料为石墨烯微片、石墨、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、多晶铁纤维和短切碳纤维中的一种或几种。一般，使多晶铁纤维的长度为0. 25mnT5mm，短切碳纤维的长度为3mnT6mm。本发明中，所用的表面活性剂为硬脂酸或十二烷基磺酸钠。本发明中，所说的热塑性树脂基体为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二酯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种。本发明制备工艺简单，采用高导热的石墨烯微片，可使焊接单元的导热系数提高5-10倍，一定程度上克服了过烧、过冲现象，使得焊接单元及与被焊接件接合处受热更为均匀，提高焊接单元与被焊接件之间的界面性能，加快焊接部位的冷却速度，该焊接单元可用 于导热复合材料的焊接，扩大了电阻焊接的应用范围；碳纤维的加入使得焊接单元的力学性能及导电性能得到提高，电阻值在IO2-IO1数量级。
具体实施例方式实施例I
将IOg石墨烯微片和2g长度为6mm的短切碳纤维超声分散4h,抽滤,干燥，然后加入Ig硬脂酸搅拌均匀，与39g聚丙烯(PP)基体在密炼机中170°C、40r/min条件下混炼lOmin，用尺寸I. 4mmX5mmX20mm的模具，在190°C、12MPa条件下压片8min，后将压好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具内，片材两端与模具端分别留2. 5mm长度的空隙,在两端空隙处加入长度为6_的短切碳纤维，在190°C、12MPa条件下压片5min，待制件冷却后，用砂纸磨直至两端短切碳纤维裸露，得到焊接单元。该焊接单元的电阻值为IO2数量级，导热系数为聚丙烯的5倍。焊接时，以连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为被焊接件，在安全电压36V通电条件下，加热25-30S即可熔融，冷却后，测得静态搭接剪切强度为9. 2MPa，界面粘接性能良好，断电后冷却速度快，在50V电压下通电，8-lOs焊接单元即可熔融。实施例2
将5g石墨烯微片和5g长度为3mm的短切碳纤维超声分散8h,抽滤，干燥，然后加A 0. 5g硬脂酸表面搅拌均勻，与42g聚乙烯基体在密炼机中180°C、40r/min条件下混炼IOmin,用尺寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具,在180°C、12MPa条件下压片8min,后将压好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具内，片材两端与模具端分别留2. 5mm长度的空隙,在两端空隙处加入长度为5_的多晶铁纤维，在180°C、12MPa条件下压片5min，待制件冷却后，用砂纸磨至多晶铁纤维裸露，得到焊接单元。该焊接单元的电阻值为IO2数量级，导热系数为聚乙烯的4倍。焊接时，以连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为被焊接件，在安全电压36V通电条件下，加热20s即可熔融，冷却后，测得静态搭接剪切强度为11. 5MPa，界面粘接性能良好，冷却速度快，在50V电压下通电，7s焊接单元即可熔融。实施例3
将15g石墨烯微片和5g长度为6mm的短切碳纤维超声分散8h,抽滤,干燥，然后加入0. 5g十二烷基磺酸钠搅拌均匀，与29g乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基体在密炼机中80°C、40r/min条件下混炼IOmin,用尺寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具,在80°C、12MPa条件下压片8min,后将压好的片放在ImmX 5_X 25mm模具内，片材两端与模具端分别留2. 5mm长度的空隙，在两端空隙处加入碳纳米管，在80°C、12MPa条件下压片5min，待制件冷却后，用砂纸磨，直至碳纳米管裸露，得到焊接单元。该焊接单元的电阻值为IO1数量级，导热系数为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物基体的8倍。焊接时，以连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为被焊接材料，在安全电压36V通电条件下，加热12s即可熔融，冷却后，测得静态搭接剪切强度为lOMPa，界面粘接性能良好，冷却速度快，在50V电压下通电，4s焊接单元即可熔融。实施例4
将18g石墨烯微片和6g碳纤维超声分散8h,抽滤，干燥，然后加入I. 5g硬脂酸搅拌均匀，与25. 5g聚丙烯基体在密炼机中170°C、40r/min条件下混炼lOmin，用尺 寸I. 4mmX 5mmX 20mm的模具，在190°C、12MPa条件下压片8min,后将压好的片放在ImmX 5mmX 25mm模具内，片材两端与模具端分别留2. 5mm长度的空隙,在两端空隙处加入长度为4_多晶铁纤维，在190°C、12MPa条件下压片5min，待制件冷却后，用砂纸磨，直至多晶铁纤维裸露，得到焊接单元。该焊接单元的电阻值为IO2数量级，导热系数为聚丙烯的8倍。焊接时，以连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为被焊接件，在安全电压36V通电条件下，加热27s即可熔融，冷却后，测得静态搭接剪切强度为9. 5MPa，界面粘接性能良好，冷却速度快，在50V电压下通电，8s焊接单元即可熔融。
权利要求
1.一种高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其步骤如下 (1)将石墨烯微片和长度为3mnT6mm的短切碳纤维同时放在水中超声分散,抽滤,干燥，然后加入表面活性剤，搅拌均匀，得到混合填料，石墨烯微片、短切碳纤维和表面活性剂的重量比为1-15 :1-5 0. 1-1 ； (2)将步骤(I)的混合填料与热塑性树脂基体按重量比为I:1_4放在密炼机中于80°C-190°C,40r/min 条件下混炼； (3)将混炼后的物料放在模具I中，在80°C-190°C、10-15MPa条件下压片、冷却成型，脱模得到片材； (4)将步骤(3)的片材放入长度大于片材长度的模具2中，在片材两端与模具2端的空隙处分别加入导电材料，于80°C-190°C、10-15MPa条件下热压，冷却脱摸，片材两端用砂纸磨，使得导电材料裸露在外，得到焊接单元。
2.根据权利I所述的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其特征是片材两端与模具2端的空隙长度分别为2. 5mm。
3.根据权利I所述的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其特征是所说的导电材料为石墨烯微片、石墨、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、多晶铁纤維和短切碳纤维中的ー种或几种。
4.根据权利3所述的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其特征是多晶铁纤维的长度为O. 25mnT5mm,短切碳纤维的长度为3mnT6mm。
5.根据权利I所述的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其特征是所用的表面活性剂为硬脂酸或十二烷基磺酸钠。
6.根据权利I所述的高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接単元的制备方法，其特征是所说的热塑性树脂基体为聚こ烯、聚丙烯、聚偏氟こ烯、尼龙、聚苯こ烯、聚甲基丙烯酸甲酷、聚甲醛、聚对苯ニ甲酸こニ酯和こ烯-醋酸こ烯酯共聚物中的ー种或多种。
全文摘要
本发明公开了一种高导热短切碳纤维增强聚合物基电阻焊接单元的制备方法，其步骤是将石墨烯微片和短切碳纤维在水中超声分散混合，干燥后加入表面活性剂混合均匀；然后将混合料与热塑性树脂基体放入密炼机混炼，在模具中压制成片材；再将片材置于在长度大于片材长度的模具中，在片材两端与模具端的空隙处分别加入导电材料，热压，脱模后的片材两端用砂纸磨，使导电材料裸露在外作为焊接单元的通电电极。本发明制备工艺简单，采用高导热的石墨烯微片，克服了电阻焊接存在的过烧、过冲现象，使得焊接处受热更为均匀，同时加入碳纤维提高了焊接单元的力学性能及导电性能，焊接件电阻值在102-101数量级。
文档编号C08K7/06GK102672867SQ20121015732
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者丁宏亮, 张子宽, 曹清华, 汪文, 沈烈 申请人:浙江大学