本发明涉及一种碳纤维复合材料与铝合金界面处理的方法。
背景技术：
相对于传统的金属结构气瓶，采用铝合金为内胆，碳纤维复合材料缠绕而成的新型气瓶，不仅可以使整个气瓶的质量大大减轻，而且还可以提高气瓶的承载能力，提升抗爆性能与生产效率，节约制造成本；碳纤维复合材料除了应用于气瓶外，因其强度高，耐高温，尺寸稳定等等优异性能，目前与铝合金连接在一起作为结构件，广泛应用于航空航天、军事和民用领域。但是碳纤维复合材料是各向异性材料，纵向和横向的热膨胀系数相差很大，纵向的热膨胀系数大约为0～7×10-6/℃，横向的热膨胀系数大约为5～10×10-5/℃，而铝合金为各向同性材料，热膨胀系数大约为1.8～3.0×10-5/℃，所以在碳纤维复合材料/铝合金固化成型后冷却的过程中，由于纵向方向上两种材料的热膨胀系数差异较大，会在界面处产生较大的热残余应力。界面热残余应力造成碳纤维复合材料/铝合金界面粘接强度降低，导致碳纤维复合材料与铝合金容易脱粘，造成铝合金和碳纤维复合材料的分离，使得整个结构失效。因此，降低碳纤维复合材料与铝合金界面处的热残余应力是非常重要的。
技术实现要素：
本发明提供一种碳纤维复合材料与铝合金界面处理的方法，解决现有碳纤维复合材料/铝合金由于纵向上热膨胀系数较大差异而导致的界面热残余应力过大的问题。
本发明为解决上述技术问题的技术方案如下：
一种碳纤维复合材料与铝合金界面处理的方法，首先利用盐酸对铝合金进行表面处理，接着在铝合金表面涂覆混有碳纳米管的环氧树脂，利用外加磁场使碳纳米管定向排列，并固化；接着涂覆环氧丙烯酸树脂并固化；然后铺放一层单向碳纤维布，铺层角度与上述碳纳米管定向排列方向相同，接着铺放碳纤维布，最后固化成型。
上述方案中，对铝合金进行表面处理的盐酸的体积浓度为10％～13％，处理时间为25min～35min。
上述方案中，混有碳纳米管的环氧树脂中碳纳米管所占的质量分数为0.5％～1.0％。
上述方案中，混有碳纳米管的环氧树脂的涂覆厚度为0.1～0.15mm。
上述方案中，在将碳纳米管混入环氧树脂之前，先将碳纳米管加入到体积比为3:1浓硫酸和浓硝酸混合液中，于80℃反应4h，然后采用去离子水和无水乙醇对产物进行洗涤至中性，干燥后混入环氧树脂中，机械搅拌15～20min，使碳纳米管分散均匀。
上述方案中，在将碳纳米管混入环氧树脂之前，先将碳纳米管加入到体积比为3:1浓硫酸和浓硝酸混合液中，于80℃反应4h，然后采用去离子水和无水乙醇对产物进行洗涤至中性，干燥后将其分散到peo齐聚物中，加入催化剂sncl2，于80℃下搅拌反应12h，产物经丙酮充分洗涤及抽滤后，在60℃下充分干燥即可制得表面接枝改性的碳纳米管，然后将其混入环氧树脂中，机械搅拌15～20min，使碳纳米管分散均匀。
上述方案中，环氧丙烯酸树脂的玻璃化转变温度在50～65℃之间。
上述方案中，环氧丙烯酸树脂的涂覆厚度为0.5～1.0mm。
本发明的有益效果为：本发明利用定向排列的混有碳纳米管的环氧树脂的纵向热膨胀系数介于与铝合金接触的单向碳纤维布的纵向热膨胀系数和铝合金热膨胀系数之间，减小热膨胀系数的差值；并利用环氧丙烯酸树脂在玻璃化转变温度以上处于高弹态，受应力作用下会产生较大形变，作为应力缓冲层吸收部分应力，从而可以有效降低碳纤维复合材料/铝合金在冷却过程中，由于两者纵向热膨胀系数的较大差异而导致的界面热残余应力。
附图说明
图1为实施例1、实施例2的碳纤维复合材料/铝合金界面处理的结构示意图。
图中：1-碳纤维复合材料，2-双酚a环氧丙烯酸酯树脂，3-混有碳纳米管的环氧树脂，4-铝合金。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
配制体积浓度为11％的盐酸，将铝合金6061浸泡于盐酸中，其热膨胀系数为2.3×10-5/℃，浸泡时间为30min，取出后用清水冲洗干净；将质量分数为1.0％的碳纳米管添加到环氧树脂中，，利用机械搅拌使碳纳米管分布均匀，加入固化剂，搅拌均匀，然后将混有碳纳米管的环氧树脂涂敷在铝合金的一个表面，厚度为0.1mm，接着利用磁场装置，施加磁场使碳纳米管沿0°方向排列，定向排列后的混有碳纳米管的环氧树脂的热膨胀系数为2.1×10-5/℃，随之固化；固化后涂覆双酚a环氧丙烯酸树脂，玻璃化转变温度为60℃，厚度为0.5mm，并固化；裁剪t700碳纤维单向布数张，t700碳纤维复合材料单向板的纵向热膨胀系数为5×10-6/℃，横向热膨胀系数为4.5×10-5/℃，先在铝合金表面铺放一张碳纤维单向布，铺层角度为0°，最后铺放剩余碳纤维布，铺层角度均为0°，利用真空辅助成型方法，90℃保温2小时，升温到110℃保温2小时，再升温到130℃保温8小时进行固化成型。界面热残余应力主要是在降温过程中，由于碳纤维复合材料沿纤维纵向方向的热膨胀系数与铝合金热膨胀系数相差较大而导致的，利用定向排列的混有碳纳米管的环氧树脂的纵向热膨胀系数介于与铝合金接触的单向碳纤维布的纵向热膨胀系数和铝合金热膨胀系数之间，减小热膨胀系数的差值，可以降低在降温过程中产生的热残余应力；环氧丙烯酸树脂在玻璃化转变温度以上处于高弹态，在由高温降低到玻璃化转变温度过程中，受应力作用会产生较大形变，从而作为应力缓冲层吸收部分应力，可以有效降低界面热残余应力。所以经过界面处理，可以有效降低碳纤维复合材料/铝合金界面的热残余应力。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，不同的是混入环氧树脂中的碳纳米管经过表面接枝改性，表面接枝改性方法为：先将碳纳米管加入到体积比为3:1浓硫酸和浓硝酸混合液中，于80℃反应4h，然后采用去离子水和无水乙醇对产物进行洗涤至中性，干燥后将其分散到peo齐聚物中，加入适量催化剂sncl2，于80℃下搅拌反应12h，产物经丙酮充分洗涤及抽滤后，在60℃下充分干燥即可制得表面接枝改性的碳纳米管，混入环氧树脂中的质量分数为0.5％，。定向排列后的混有碳纳米管的环氧树脂的热膨胀系数为1.7×10-5/℃，介于与铝合金接触的单向碳纤维布的纵向热膨胀系数和铝合金热膨胀系数之间。
实施例3
配制体积浓度为11％的盐酸，将铝合金6061浸泡于盐酸中，其热膨胀系数为2.3×10-5/℃，浸泡时间为30min，取出后用清水冲洗干净；将质量分数为0.5％的表面接枝改性的碳纳米管添加到环氧树脂中，利用机械搅拌使碳纳米管分布均匀，加入固化剂，搅拌均匀，然后将混有碳纳米管的环氧树脂涂敷在铝合金的一个表面，厚度为0.15mm，接着利用磁场装置，施加磁场使碳纳米管沿0°方向排列，随之固化；固化后涂覆双酚a环氧丙烯酸树脂，玻璃化转变温度为60℃，厚度为0.5mm，并固化；裁剪t700碳纤维单向布数张，t700碳纤维复合材料单向板的纵向热膨胀系数为5×10-6/℃，横向热膨胀系数为4.5×10-5/℃，定向排列后的环氧树脂的热膨胀系数为1.7×10-5/℃，铝合金热膨胀系数为2.3×10-5/℃。先在铝合金表面铺放一张碳纤维单向布，铺层角度为0°，最后铺放剩余碳纤维布，铺层角度均为0°，利用真空辅助成型方法，90℃保温2小时，升温到110℃保温2小时，再升温到130℃保温8小时进行固化成型。