一种提高耐高温树脂基复合材料粘接性能的表面处理方法与流程

1.本发明具体涉及一种提高耐高温树脂基复合材料粘接性能的表面处理方法，属于耐高温树脂基复合材料技术领域。


背景技术：

2.聚酰亚胺复合材料具有耐温性能好、密度低、力学性能优异等优点，已成为新一代武器装备结构的主体材料方案之一。为实现较好的耐温性能，聚酰亚胺树脂多为紧密排列的芳香环结构，且复合材料成型温度较高，可达350～400℃，在高温成型后，复合材料表面表现出较明显的化学惰性，几乎没有化学活性基团，导致其与复合材料、金属、陶瓷等材料间的粘接强度较差，对结构安全稳定性带来一定隐患。
3.前期的试验结果表明，采用金属喷砂处理方法容易对复合材料外表层产生机械破坏，且形成的异质界面在高温下会由于热膨胀系数不匹配产生剥离风险。由于耐高温树脂基复合材料表面的的化学惰性，采用等离子体预处理、硅烷偶联剂表面化学改性等方法对其粘接强度的提升有限。因此，针对耐高温树脂基复合材料在结构件上的粘接装配应用需求，亟需开发一种能够有效提高粘接性能的表面处理方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于耐高温树脂基复合材料的表面处理方法，能够有效提高在室温及高温下的粘接性能和粘接质量稳定性。
5.本发明的一种可提高耐高温树脂基复合材料粘接性能的表面处理方法，包括如下步骤：
6.1、采用离子注入法，用高速粒子束轰击将金属离子或金属氧化物离子植入到树脂基复合材料表面，实现表面改性预处理；
7.2、将制备好的硅烷偶联剂溶液均匀喷涂至上述复合材料表面，进行升温反应处理，完成表面改性。
8.进一步地，步骤1中，所述离子注入的金属离子优选包括au、ag、ni、cu、fe和ti离子中的一种或多种，更优选为cu、fe和ti离子中的一种或多种；所述离子注入的金属氧化物离子优选包括nio、cuo、fe3o4、tio2、al2o3、mgo、zno离子中的一种或多种，更优选为fe3o4、tio2和al2o3离子中的一种或多种。
9.进一步地，步骤1中，所述金属离子或金属氧化物离子注入的注入剂量可为1
×
10
12
～1
×
10
20
ions/cm2，优选为1
×
10
16
～1
×
10
18
ions/cm2；所述金属离子或金属氧化物离子注入的注入时间可为5～60min，优选为10～30min。本发明将所述金属离子或金属氧化物离子注入的注入剂量和注入时间控制在上述范围，有利于金属离子或金属氧化物离子均匀分散在复合材料中。
10.进一步地，步骤1中，所述金属离子或金属氧化物离子注入的加速电压可为10～50kv，优选为20～40kv。
11.进一步地，步骤1中，所述金属离子或金属氧化物离子注入的真空度可为≤1.0pa，优选为10-5
～10-4
pa。
12.进一步地，步骤1中，所述金属离子或金属氧化物离子注入优选在离子注入机中完成。本发明对所述离子注入的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的离子注入机即可。
13.进一步地，步骤2中，所述硅烷偶联剂溶液的制备方法为：将无水乙醇和水按体积比为1∶1的比例配制混合溶剂，滴加氨水将混合液的ph调至9～10，加入一定量的硅烷偶联剂，搅拌均匀。
14.进一步地，步骤2中，所述硅烷偶联剂包括但不限于γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲基硅烷、γ-(2，3―环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ－巯丙基三甲氧基硅烷、γ－脲丙基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷或异氰酸丙基三乙氧基硅烷的一种或几种。
15.进一步地，步骤2中，所述硅烷偶联剂的浓度为0.5-2％wt。
16.进一步地，步骤2中，所述硅烷偶联剂溶液的用量为1-5ml/cm2。
17.进一步地，步骤2中，在烘箱中进行所述升温反应处理，所述烘箱的处理温度为40-80℃，所述处理时间为0.5-5h。
18.本发明的工作原理在于：通过金属离子或金属氧化物离子注入在耐高温树脂基复合材料表面，并形成新的金属层相，使得惰性的复合材料表面具备较好的反应活性。硅烷偶联剂通过硅烷氧基与金属层相形成的si-o-m(fe、cu、al、ti、ni、au、ag)键结合在复合材料表面，另一侧附着的有机官能团则与粘接剂具有出较好的相容性和反应活性。经过改性处理的复合材料基材表面显著改善了粗糙度、浸润性和表面能，粘接剂能够在基材表面充分浸润，减少了气泡等微观缺陷，同时，附着的反应性官能团与粘接剂产生化学结合，实现复合材料粘接强度和粘接质量的显著提升。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.金属离子或金属氧化物离子注入形成的纳米级金属层相有效改善了惰性复合材料界面的反应活性，注入元素进入基体后呈高斯分布，不形成新的界面，没有因界面引起的腐蚀、开裂、起皮、剥落等其他涂层容易产生的缺陷，从而解决了许多涂层改性技术中存在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题。此外，采用离子注入 硅烷偶联剂喷涂的表面处理方法，具有处理条件温和、界面均一性好等优点，能够有效提升耐高温树脂基复合材料的粘接强度和粘接质量稳定性，具有显著的应用效果和推广应用价值。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
22.实施例1
23.1、将碳纤维增强聚酰亚胺复合材料表面采用砂纸进行均匀打磨，采用丙酮或乙醇进行表面清理，去油和清除表面附着的污物。
24.2、将复合材料置于离子注入机中，离子注入元素为fe，注入参数为：电压20kv，注入剂量为5
×
10 17
ions/cm 2，注入时间10min。
25.3、将无水乙醇和水按体积比为1∶1的比例配制混合溶剂200ml，滴加氨水将混合液
的ph调至9，加入2g的辛基三乙氧基硅烷偶联剂，搅拌均匀；
26.4、将上述溶液按2ml/cm2量均匀喷涂至复合材料表面，放入烘箱中，在50℃下反应2h，取出；
27.5、以表面完成改性处理的复合材料为基体，以耐高温硅橡胶粘接剂(中科院化学所kh-rtv-400)为高温粘接剂，制备拉伸剪切试样，开展室温及400℃高温下的拉伸剪切强度测试，具体数据见表1。
28.实施例2
29.1、将碳纤维增强聚酰亚胺复合材料表面采用砂纸进行均匀打磨，采用丙酮或乙醇进行表面清理，去油和清除表面附着的污物。
30.2、将复合材料置于离子注入机中，离子注入元素为al2o3，注入参数为：电压25kv，注入剂量为1
×
10
18
ions/cm2，注入时间15min。
31.3、将无水乙醇和水按体积比为1∶1的比例配制混合溶剂200ml，滴加氨水将混合液的ph调至9，加入3g的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，搅拌均匀；
32.4、将上述溶液按1.5ml/cm2量均匀喷涂至复合材料表面，放入烘箱中，在80℃下反应0.5h，取出；
33.5、以表面完成改性处理的复合材料为基体，以耐高温硅橡胶粘接剂(中科院化学所kh-rtv-400)为高温粘接剂，制备拉伸剪切试样，开展室温及400℃高温下的拉伸剪切强度测试，具体数据见表1。
34.实施例3
35.1、将碳纤维增强聚酰亚胺复合材料表面采用砂纸进行均匀打磨，采用丙酮或乙醇进行表面清理，去油和清除表面附着的污物。
36.2、将复合材料置于离子注入机中，离子注入元素为ti，注入参数为：电压20kv，注入剂量为5
×
10
17
ions/cm2，注入时间10min。
37.3、将无水乙醇和水按体积比为1∶1的比例配制混合溶剂200ml，滴加氨水将混合液的ph调至10，加入3g的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷的复配偶联剂(两者质量比为1：1)，搅拌均匀；
38.4、将上述溶液按2ml/cm2量均匀喷涂至复合材料表面，放入烘箱中，在80℃下反应0.5h，取出；
39.5、以表面完成改性处理的复合材料为基体，以耐高温硅橡胶粘接剂(中科院化学所kh-rtv-400)为高温粘接剂，制备拉伸剪切试样，开展室温及400℃高温下的拉伸剪切强度测试，具体数据见表1。
40.对比实施例1
41.1、将碳纤维增强聚酰亚胺复合材料表面采用砂纸进行均匀打磨，采用丙酮或乙醇进行表面清理，去油和清除表面附着的污物。
42.2、将无水乙醇和水按体积比为1∶1的比例配制混合溶剂200ml，滴加氨水将混合液的ph调至10，加入3g的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷的复配偶联剂(两者质量比为1：1)，搅拌均匀；
43.3、将上述溶液按2ml/cm2量均匀喷涂至复合材料表面，放入烘箱中，在80℃下反应0.5h，取出；
44.4、以表面完成改性处理的复合材料为基体，以耐高温硅橡胶粘接剂(中科院化学所kh-rtv-400)为高温粘接剂，制备拉伸剪切试样，开展室温及400℃高温下的拉伸剪切强度测试，具体数据见表1。
45.表1不同试样的拉伸剪切强度测试数据
46.样品拉伸剪切强度(室温)拉伸剪切强度(400℃)实施例15.1mpa0.41mpa实施例24.8mpa0.39mpa实施例35.0mpa0.52mpa对比实施例13.4mpa0.12mpa
47.表1中，室温下的拉伸剪切强度测试标准为gb/t 7124-2008，高温下的拉伸剪切强度测试标准为gjb 444-88。
48.根据表1可知，本发明的采用离子注入和硅烷偶联剂喷涂的表面处理方法，能够有效提升耐高温树脂基复合材料在室温及高温下的粘接强度。
49.以上公开的本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。