1.前言

最近，在世界各國(guó)的汽車業(yè)界，提出了“可持續(xù)發(fā)展（SDGs）”，以削減?CO2?為目的，向清潔移動(dòng)性方向轉(zhuǎn)移。作為構(gòu)筑低碳社會(huì)的一種有效方法，就是追求汽車的車身輕量化，因此輕量且具有優(yōu)異機(jī)械特性的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）持續(xù)受到極大的關(guān)注。車身輕量化的舉措在世界各國(guó)都在積極地進(jìn)行。在日本，新結(jié)構(gòu)材料技術(shù)研究組合（ISMA）于 2013 年成立，致力于以鋼鐵、輕量金屬、熱塑性碳纖維強(qiáng)化樹脂（CFRTP）的高強(qiáng)度、高功能化為目標(biāo)的新材料開發(fā)，并將這些材料適當(dāng)配置進(jìn)行應(yīng)用，即 “多材料化” 。另外，在美國(guó)成立的Vehicle Technologies Office（VTO），作為長(zhǎng)期戰(zhàn)略，致力于使用 CFRP 的輕量設(shè)計(jì)（lightweight design）技術(shù)的研究。EU 成立了 SEAM 集群，面向大量、中等量產(chǎn)車的電動(dòng)汽車，通過多材料化進(jìn)行了輕量化的實(shí)踐。目前，歐洲各國(guó)仍在積極地進(jìn)行著與多材料化相關(guān)的技術(shù)開發(fā)。

多材料化已經(jīng)成為技術(shù)性的關(guān)鍵詞，CFRTP 的新中間素材的開發(fā)和與金屬材料等的異種材料接合技術(shù)的需求也隨之高漲。在 CFRTP 的中間材料中，雖然短纖維或長(zhǎng)纖維強(qiáng)化形態(tài)是主流，但現(xiàn)在長(zhǎng)纖維化是發(fā)展趨勢(shì)，UD 膠帶等連續(xù)纖維強(qiáng)化形態(tài)的中間材料的開發(fā)也在進(jìn)行。此外，在CFRTP 的輕量結(jié)構(gòu)體的成型中，不僅有注射成型，還有通過沖壓成型三維層疊等多個(gè)成型技術(shù)的組合實(shí)現(xiàn)混合型結(jié)構(gòu)體的成型案例。

在接合技術(shù)中，不使用螺釘、螺栓、鉚釘?shù)葯C(jī)械緊固部件，利用熱塑性樹脂特性的“熔接”的接合技術(shù)備受矚目。在混合 CFRTP 成型部件和異種材料接合部件中，接合強(qiáng)度的高強(qiáng)度化、高可靠性化非常重要，本文對(duì)最近發(fā)表的關(guān)于這方面的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

2.混合 CFRTP 成型技術(shù)如表1所示，目前常用的 CFRTP 的主要中間材料。在熱塑性樹脂中，利用其成形性，一般采用短纖維強(qiáng)化或使用長(zhǎng)纖維強(qiáng)化顆粒的注射成形工藝。近幾年，由熱固性樹脂連續(xù)纖維強(qiáng)化逐步發(fā)展成熱塑性樹脂，采用快速加熱、快速冷卻的沖壓成形。但是，隨著纖維的長(zhǎng)纖維化，成型形狀的自由度下降，因此，通過采用沖壓成形和注塑成形的組合而成的二次成型，復(fù)雜形狀的混合 CFRTP 成型技術(shù)備受關(guān)注，在此基于沖壓成型基材與注射成型部件間的接合界面的強(qiáng)度成為需要解決的課題。

表1 CFRTP 的中間素材即成型法
2.1 二次成型的接合強(qiáng)度Akkerman 等研究人員通過數(shù)值分析，致力于在二次成型中嵌入基材部件和注塑樹脂之間接合強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法方面的研究。為了在基材和射出樹脂間完成接合，1）形成嵌入基材與射出樹脂間密切的界面（intimate contact）。2）樹脂界面的相互擴(kuò)散（interdiffusion）是必要的。在 1）中，形成接觸界面所需的時(shí)間 tic 如下所示，

這里，η0 是樹脂粘度，P 是壓力。從成型的觀點(diǎn)來看，這表明有必要施加高的注射壓力或高的保壓，或者提高成型溫度來降低樹脂粘度。Giusti 等通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)對(duì)此做了驗(yàn)證。但是，如果模具溫度過高，則成為殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，導(dǎo)致接合強(qiáng)度下降。另一方面，2）中的相互擴(kuò)散支配著接合強(qiáng)度。結(jié)晶樹脂的焊接現(xiàn)象比非結(jié)晶樹脂復(fù)雜，目前尚處于不能完全掌握的狀況。也有研究稱，結(jié)晶樹脂焊接強(qiáng)度比非結(jié)晶樹脂低 10%左右。晶體部分抑制了非晶部分子鏈的運(yùn)動(dòng)，防止相互擴(kuò)散。因此，為了促進(jìn)相互擴(kuò)散，需要將基材樹脂預(yù)先加熱到熔點(diǎn)以上，使結(jié)晶部的分子鏈處于能運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。因此，Akkerman 等人通過模擬由 DSC 測(cè)量結(jié)果獲得的聚酰胺 6（PA 6）和聚芳基醚酮（PAEK）的晶體部分熔化熱曲線。以熔化程度為 Dh，接合部的相互擴(kuò)散用 0 到 1 表示。如圖1所示，接合界面的相互擴(kuò)散狀態(tài)的分析結(jié)果。相互擴(kuò)散狀態(tài)和接合強(qiáng)度之間存在相關(guān)關(guān)系，通過數(shù)值分析可以預(yù)測(cè)接合強(qiáng)度。另外，對(duì)于接合強(qiáng)度，預(yù)加熱的條件是主要的影響因素。此外，Giusti 等人還發(fā)現(xiàn)由于嵌入基材的預(yù)加熱溫度，表面的拓?fù)湫螤畎l(fā)生變化，接合部的接觸面積影響接合強(qiáng)度。預(yù)加熱后基材的表面狀態(tài)如圖2所示，已知在后述的異種材料接合中，基材的表面粗糙度對(duì)接合強(qiáng)度有很大影響。在混合 CFRTP 中，接合界面部的拓?fù)淇刂剖且粋€(gè)重要因素。

圖1 根據(jù)分子擴(kuò)散預(yù)測(cè)接合強(qiáng)度

圖2 預(yù)熱后嵌入基材的表面粗糙度
2.2 通過添加納米纖維改善接合強(qiáng)度作為改善接合強(qiáng)度的方法之一，近年來嘗試在界面部使用納米填料。在將熱固性樹脂用于基體的紡織品復(fù)合材料中，碳納米管（CNT）三維化學(xué)氣相沉積在 SiC 纖維織物的表面上，并成功地賦予織物之間的層間強(qiáng)度和其他功能性。多尺度復(fù)合材料的概念圖如圖3所示。著眼于該技術(shù)，Matsumoto 等人在該注塑成型中，在接合界面部插入添加了 CNT 的樹脂薄膜，進(jìn)行了提高接合強(qiáng)度的研究。CNT 的添加效果對(duì)成型條件和分散狀態(tài)也有很大影響，但代表接合強(qiáng)度的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）通過添加 1.0wt%的 CNT，比與未添加的情況提高了 52%。成形品和 ILSS 結(jié)果如圖4所示。

圖 3 多尺度復(fù)合材料的概念圖

圖4 添加 CNT 的混合 CFRTP 層間剪切強(qiáng)度
3. 多材料的接合技術(shù)作為多材料化的研究動(dòng)向，前一節(jié)所述的 CFRTP 結(jié)構(gòu)體與鋼材、鋁（Al）、鈦、鎂等輕金屬材料的接合技術(shù)備受矚目（表 2）。

表2 多材料的主要焊接技術(shù)
使用螺栓連接和鉚釘?shù)慕雍涎芯肯鄬?duì)較少，均采用加熱，使熱塑性樹脂熔融，加壓進(jìn)行接合的方法。接合方法有很多方面，關(guān)于激光焊接、摩擦焊接、超聲波焊接、高頻感應(yīng)加熱焊接、電阻加熱焊接，大多數(shù)是以簡(jiǎn)單形狀的有機(jī)片和鋁（Al）材料為對(duì)象，使用單面試驗(yàn)片進(jìn)行接合強(qiáng)度的評(píng)估。此外，注塑成型是在帽型金屬上注射增強(qiáng)材料的成型方法。UD 帶模壓是通過激光加熱接合界面部，用輥加壓成型的方法。以上雖然提出了很多接合方法，但至今接合狀態(tài)和接合界面部的組織狀態(tài)仍有很多不明確之處，希望今后在接合界面上的非破壞性的分析技術(shù)的得以進(jìn)一步發(fā)展。金屬和熱塑性樹脂的直接結(jié)合原理是機(jī)械連接（mechanical interlocking）和吸附（adsorption），由于聚合物在化學(xué)上是惰性的，所以聚合物和金屬之間的相互作用很弱。
3.1 接合面的表面處理作為提高接合強(qiáng)度的方法之一，是對(duì)金屬表面進(jìn)行處理的方法。Conte 等人通過下述各種方法對(duì)鋁（Al）進(jìn)行了表面處理，通過超聲波焊接對(duì) PA6/Al 進(jìn)行了接合，并通過單面拉伸剪切強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。作為進(jìn)行表面處理的機(jī)械方法有以下幾種：1）噴砂2）激光處理（圖 5a）3）金屬 3D 打印機(jī)的針腳造型（圖 5b）4）掛鉤結(jié)構(gòu)的利用（圖 5c）這些方法均是以增加表面粗糙度和增加接觸面積為目的。

圖 5 表面處理 (a)激光處理 (b) 金屬 3D 打印機(jī)的針腳造型 (c)掛鉤結(jié)構(gòu)
另外，作為化學(xué)處理方法，有以下幾種方法：5）蝕刻處理6）化學(xué)轉(zhuǎn)化處理這些是為了去除鋁（Al）表面的氧化層，促進(jìn)吸附。除此之外，作為物理方法：7）等離子體處理這是為了去除金屬表面的污垢，提高界面部分的親和性。對(duì)于剪切強(qiáng)度，這些處理方法的影響及使用粘接劑的接合強(qiáng)度如圖 6 所示。超聲波焊接的接合強(qiáng)度在粘接劑使用中較差，但通過激光加工的機(jī)械表面處理（凹陷深度 75μm，間距 200μm）中顯示了最佳的接合強(qiáng)度。但是，如果凹陷深度過深，接合強(qiáng)度就會(huì)降低。

圖 6 各種表面處理方法的接合強(qiáng)度（ADH：粘接劑，UT：未處理， SB：噴砂，3D：3D 打印，LAS：激光處理，CC：化學(xué)處理，AA：酸堿蝕刻處理，AP：酸洗，P：等離子處理）
3.2 利用界面構(gòu)造和纖維的錨定效果注塑成型的優(yōu)點(diǎn)在于，金屬部件和 CFRTP 的直接接合和復(fù)雜形狀的形成可以同時(shí)進(jìn)行。另外，除了通過金屬表面的凹凸結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械連接之外，通過在注射樹脂中使用纖維增強(qiáng)樹脂，在凹凸部分配置纖維，對(duì)變形方向發(fā)揮錨定效果。Kimura 等人將添加 30wt%玻璃纖維的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和A5052 的 Al 通過注塑成型進(jìn)行接合。另外，在鋁（Al）表面，通過化學(xué)蝕刻處理，采用 AMALPHA 工藝和納米成型(NMT，Nano Molding Technology)工藝，生成微細(xì)的凹凸。在 AMALPHA 中可以產(chǎn)生 10μ m 立方體狀凹凸，NMT可以產(chǎn)生海綿狀的 20nm 級(jí)納米級(jí)結(jié)構(gòu)。另外，在流道形狀上下功夫，制作從接合部使樹脂流動(dòng)時(shí)（type A）和從接合部的相反側(cè)使樹脂流動(dòng)時(shí)（type B）這兩種流路，一邊改變注入速度，一邊調(diào)查各個(gè)因素對(duì)接合強(qiáng)度的影響。從接合強(qiáng)度的結(jié)果來看，無論金屬表面結(jié)構(gòu)的形狀如何，type A 形狀的接合強(qiáng)度都比 type B 低。原因有兩個(gè)，一個(gè)是type A 的接合部的溫度峰值和壓力峰值的時(shí)間差比 type B 大。另一個(gè)原因，如圖 8 所示，type A 形狀的接合部的玻璃纖維的取向狀態(tài)呈曲線狀取向，熱收縮的狀態(tài)根據(jù)接合部的位置而不同。

圖 7 流路形狀不同的 Al/PBT 接合試驗(yàn)片

圖 8 各流路形狀的玻璃纖維的定向狀態(tài)
4.總結(jié)本文介紹了混合 CFRTP 和多材料的成型、接合技術(shù)。隨著傳統(tǒng)塑料成型技術(shù)的集成，提出了多種多樣的成型和接合方法，我們期待著進(jìn)一步開發(fā)利用本次介紹的納米技術(shù)的接合技術(shù)及功能性復(fù)合材料。

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