本发明属于热塑性树脂基复合材料与焊接，尤其是一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件。
背景技术：
1、与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有比强度高、成型快、耐环境性优良、可回收与可修复等特点，成为备受青睐的新一代轻量化材料与支撑新一代航空航天、汽车制造、能源动力、交通运输、国防军工等高技术领域的关键战略材料。
2、由于热塑性复合材料在熔融-固结时无固化反应，且重复成型时性能不受加热及成型次数的影响，可通过焊接技术连接。与机械连接、胶接及其他焊接技术相比，热塑性复合材料的电阻焊接的设备具有工艺简单、无需复杂的表面清理、连接效率高、连接质量好等优势，已被用于连接空客a320、a330、a340-600、a350xwb、a380、福克f50等机型的蒙皮、副翼、整流罩、梁肋、升降舵、结构面板等构件。
3、电阻焊的主要热量来源为电流流经加热元件时产生电阻热。当界面温度达到无定形聚合物的玻璃化转变温度或半结晶聚合物的结晶熔点时，热塑性基体熔化，内部高分子链的活动能力增加，并在压力作用下相互扩散、缠结，冷却后形成可靠连接。因此，加热元件的材料种类、形状、尺寸、表面状态等因素都影响着其导电性与导热性，进而密切影响着接头性能。目前，常用于热塑性复合材料电阻焊的加热元件包括以不锈钢网为主的金属网、碳纤维材料以及其他特制的加热元件。
4、但由于传统加热元件与空气的自然对流传热较差，暴露于空气中的部分温度较高，焊件端部的温度梯度较大，界面边缘区域的温度也明显高于内部，即产生“边缘效应”，易产生端部过热降解、接头变形较大、连接强度降低等问题。此外，加热元件与热塑性复合材料内部的导电增强相接触导致的电流分流、加热元件与母材界面的结合性等都影响着接头的最终质量。为有效解决上述问题，需要创新的结构设计优化热量分布，及时疏散边缘区域的热量，降低边缘效应的影响。
5、目前的解决方法包括施加脉冲电压或线性电压、优化夹持距离、适当提高功率、冷却焊件端部、减小接合区加热元件长度等调整焊接工艺，但都没有对加热元件进行减少边缘效应的设计。
6、通过检索，发现与本发明专利申请相关的公开文献：high performancepolymers，2021，33(8)：892-904公开了li等人发现对加热元件进行喷砂、芳基重氮接枝、硅烷接枝等表面处理方法都能提高结合性，并优选了硅烷接枝处理方法，接头的ifss与lss分别为38mpa与45mpa，比未处理的接头分别提高了36％与23％，但也没有有效解决焊接时边缘效应明显的问题。
7、通过检索，发现与本发明专利申请相关的公开专利：中国专利公开号：cn110356012b公开了一种cnt阵列原位生长修饰的金属网加热元件的方法，在金属网上制备了导电、导热性好且力学性能好的cnt，改善了界面结合强度与金属网的发热特性，但容易因cnt阵列排布不均匀导致热量传导不均匀。
8、综合来看，上述方法在解决边缘效应、电流分流、提高结合性等方面都存在各自的局限性，实际效果和适用性都受限。开发一种既能够有效减少边缘效应，又能够有效绝缘，进而减少电流分流，还能够提高与母材的结合性的加热元件，对热塑性复合材料的电阻焊接技术意义重大。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，能够有效优化热量分布，及时疏散加热元件边缘区域的热量，降低边缘效应的影响。
2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
3、一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，包括复合在一起的产热区域、导热区域及绝缘层；
4、其中，所述产热区域用作发热体，且产热区域的导电层为高发热率材料或进行表面改性后的碳纤维、不锈钢网；
5、所述导热区域位于产热区域电流流经方向的两侧并与产热区域相连，且所述导热区域为高导电率材料；
6、所述绝缘层分别位于产热区域及导热区域的上下两侧，且所述绝缘层为热塑性树脂薄膜、绝缘纤维毡、绝缘无纺布中的至少一种。
7、而且，所述高发热率材料为金属网、单向连续碳纤维束、碳纤维织物、碳纤维丝与金属丝的混编网、碳纤维与有机纤维的混编网中的至少一种。
8、而且，表面改性为硅烷处理、制备金属氧化物涂层、氧化处理、化学蚀刻或原位制备碳纳米管。
9、而且，所述产热区域的高发热率材料为金属网时，金属丝的材质包括但不限于不锈钢、铁、黄铜、钴或镍，且金属丝的直径为0.02～0.6mm，金属丝的间距为0.04～2.5mm，金属丝的网孔形态包括但不限于矩形、菱形、圆形或多边形；和/或
10、所述产热区域的高发热率材料为单向连续碳纤维束时，其碳纤维丝束规格为1～24k；和/或
11、所述产热区域的高发热率材料为碳纤维织物时，编织形式包括但不限于平纹编织、斜纹编织、缎纹编织、单向编织、多轴向编织或特殊编织，织物的面密度为5～150g/m2，织物的碳纤维丝束规格为0.2～3k；和/或
12、所述产热区域的高发热率材料为碳纤维与有机纤维的混编网时，织物的面密度为25～350g/m2，碳纤维丝束规格为2k～13k，有机纤维包括但不限于聚酯、聚酰胺、酯酰亚胺、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯腈、对苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚对苯撑苯并双噁唑或聚苯撑吡啶并二咪唑，且所述碳纤维的方向与电流方向一致，并与两侧的导热区域紧密结合；和/或
13、所述产热区域的高发热率材料为碳纤维丝与金属丝的混编网时，织物的面密度为35～550g/m2，碳纤维丝束的规格为0.2～3k，金属丝包括但不限于不锈钢、铁、黄铜、钴、镍，且所述碳纤维或金属丝的方向与电流方向一致，并与两侧的导热区域紧密结合。
14、而且，所述导热区域的高导电率材料为铜网或铝网；
15、所述铜网或铝网的金属丝直径为0.02～0.6mm，铜网或铝网的网间距为0.04～2.5mm。
16、而且，所述高发热率材料的电阻率大于6.0×10-7ω·m，所述高导电率材料的电阻率小于3.0×10-8ω·m。
17、而且，所述产热区域的金属网与导热区域的铜网或铝网的尺寸相同；
18、所述产热区域为金属网时，其与导热区域之间的焊接方式为电阻焊、超声波焊、激光焊或钎焊。
19、而且，所述产热区域为单向连续碳纤维束、碳纤维织物、碳纤维丝与金属丝的混编网、碳纤维与有机纤维混编网时，其与导热区域的连接方式为通过编织方式连接。
20、而且，所述绝缘层为热塑性树脂薄膜时，其密度小于等于150g/m2；
21、所述绝缘层为绝缘纤维毡时，包括但不限于短切毡、连续毡、表面毡或复合毡，且面密度小于等于150g/m2，纤维丝束规格为0.2～3k；
22、所述绝缘层为绝缘无纺布时，织物的编织形式包括但不限于平纹编织、斜纹编织、缎纹编织、单向编织、多轴向编织或特殊编织，且面密度为5～150g/m2。
23、而且，母材与热塑性树脂薄膜的热塑性基体包括无定型聚合物：聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚碳酸酯合金、聚苯醚、聚丙烯醚、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、聚酰胺-imide、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺；
24、还包括半结晶聚合物：聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚酰胺、聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、聚对苯二甲酸丁酯、交联聚乙烯、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚物、聚偏二氯乙烯、超高分子量聚乙烯、聚十一酰胺、聚十二酰胺、聚芳烃树脂、对位芳香族聚酰胺、聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、液晶聚合物、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚腈酮、聚醚砜酮、聚醚腈砜、聚醚腈、含二氮杂萘酮聚芳醚酮、含二氮杂萘酮聚芳醚腈酮、含二氮杂萘酮聚芳醚砜酮、含二氮杂萘酮聚芳醚腈砜、含二氮杂萘酮聚芳醚腈、聚甲醛；
25、增强相包括纤维增强、颗粒增强、片状增强、织物增强、泡沫增强、纳米粒子增强；
26、其中，所述绝缘层为热塑性树脂薄膜时，热塑性树脂薄膜的材质与热塑性基体一致。
27、本发明的优点和积极效果是：
28、1、本发明通过将传统的加热元件与导热性优良的铜网或铝网等复合，有效减少了边缘效应对接头性能的影响。通过优化的材料组合与新型的结构设计，有效分散了热塑性复合材料电阻焊过程中界面边缘处过多的电阻热，减小了焊件端部的温度梯度，有效解决了边缘效应及边缘效应造成的端部过热、表面熔化与讲解过多、接头变形较大、连接强度降低等问题。
29、2、本发明通过在产热区域与导热区域添加绝缘层，以及在产热区域与导热区域表面制备氧化物涂层等方式，有效保证了热塑性复合材料电阻焊时加热元件与界面处的任何导电部位绝缘，阻隔了因加热元件与焊件内部的导电纤维等接触时产生新的导电路径而产生的电流分流，也消除了因电流分流导致加热元件的电流密度降低、产热不足、界面温度不均匀等问题，提高了界面连接强度与接头性能。
30、3、本发明通过在上下两侧添加与热塑性复合材料基体相同或相似的绝缘层，促使热塑性基体高分子链在电阻焊时能够更好地流动扩散并填充界面间隙，减少因热塑性基体不足而导致的孔洞、裂纹等焊接缺陷，提升整体结构的稳定性、一致性和可靠性，并一定程度上延长了使用寿命。
31、4、本发明的适用范围广，既可以用于电阻焊连接种类繁多的热塑性树脂及其复合材料、热固性树脂及其复合材料或其中的一种或几种，又可以根据不同树脂及其复合材料的耐温等级、应用环境等条件进行个性化定制。如热塑性复合材料或热固性复合材料的增强相均包括纤维、颗粒、片状、织物、泡沫、纳米粒子等；其中，仅纤维增强复合材料的增强纤维又包括玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、pbo纤维、天然纤维等。
32、5、本发明的工艺可选范围大，参数工艺窗口更宽，本发明基于金属网、单向碳纤维与碳纤维织物等传统的热塑性复合材料用的加热元件，既可以直接将传统加热元件作为本发明的产热区域，也可以先对其进行硅烷处理、制备金属氧化物涂层、氧化处理、化学蚀刻、原位制备碳纳米管(cnt)等表面改性处理，再作为本发明的产热区域。同时本发明能有效提高生产效率，减少因边缘效应导致的不良品率，缩短焊接周期，提高生产效率和焊接过程的稳定性。
1.一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：包括复合在一起的产热区域、导热区域及绝缘层；
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述高发热率材料为金属网、单向连续碳纤维束、碳纤维织物、碳纤维丝与金属丝的混编网、碳纤维与有机纤维的混编网中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：表面改性为硅烷处理、制备金属氧化物涂层、氧化处理、化学蚀刻或原位制备碳纳米管。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述产热区域的高发热率材料为金属网时，金属丝的材质包括但不限于不锈钢、铁、黄铜、钴或镍，且金属丝的直径为0.02～0.6mm，金属丝的间距为0.04～2.5mm，金属丝的网孔形态包括但不限于矩形、菱形、圆形或多边形；和/或
5.根据权利要求4所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述导热区域的高导电率材料为铜网或铝网；
6.根据权利要求5所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述高发热率材料的电阻率大于6.0×10-7ω·m，所述高导电率材料的电阻率小于3.0×10-8ω·m。
7.根据权利要求6所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述产热区域的金属网与导热区域的铜网或铝网的尺寸相同；
8.根据权利要求7所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述产热区域为单向连续碳纤维束、碳纤维织物、碳纤维丝与金属丝的混编网、碳纤维与有机纤维混编网时，其与导热区域的连接方式为通过编织方式连接。
9.根据权利要求8所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：所述绝缘层为热塑性树脂薄膜时，其密度小于等于150g/m2；
10.根据权利要求9所述的一种热塑性复合材料电阻焊接用的加热元件，其特征在于：母材与热塑性树脂薄膜的热塑性基体包括无定型聚合物：聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚碳酸酯合金、聚苯醚、聚丙烯醚、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、聚酰胺-imide、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺；
