【半导体形貌及成分表征】科研┃泽攸科技ZEM台式扫描电镜在CFRP与铝合金连接研究中的应用


发布时间:

2024-05-30

轻量化在汽车、航空航天等领域中扮演着至关重要的角色,因为它直接关联到燃料效率的提升和成本的降低。为了实现这一目标,业界越来越倾向于采用异种材料连接技术,将轻质的塑料材料,特别是连续碳纤维增强塑料(CFRP)与金属结合使用。

轻量化在汽车、航空航天等领域中扮演着至关重要的角色,因为它直接关联到燃料效率的提升和成本的降低。为了实现这一目标,业界越来越倾向于采用异种材料连接技术,将轻质的塑料材料,特别是连续碳纤维增强塑料(CFRP)与金属结合使用。然而,由于金属和CFRP在化学和物理性质上的巨大差异,它们的连接存在诸多挑战。传统的连接方法,例如粘接和机械连接,虽然在一定程度上能够实现材料的结合,但它们存在加工时间长和应力集中等问题,限制了它们的应用范围。

尽管近年来出现了一些新的焊接技术,如超声波焊接、激光焊接和搅拌摩擦焊接(FSW),它们在连接金属和塑料基材料方面展现出潜力,但仍存在一些关键问题未解决。例如,激光焊接在连接CFRP和金属时会在接头处产生大量气泡,这些气泡难以排出并会严重恶化接头的机械性能,尤其是在疲劳性能方面。FSW技术虽然避免了热分解和纤维损伤的问题,但其变体摩擦搭接连接(FLJ)在直接连接金属和CFRP时的接头强度仍然较低。此外,针对高含量连续纤维的CFRP与金属的连接研究相对较少,这部分是因为高含量连续纤维会降低CFRP的流动性,增加与金属连接的难度。因此,开发一种有效的连接技术,能够实现高含量连续纤维CFRP与金属的高强度连接,同时克服上述现存问题,成为了当前研究的迫切需求。

针对以上问题,中国科学院金属研究所、中国科学技术大学、沈阳理工大学团队利用泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜,通过表面激光处理预处理的方法,结合摩擦搭接连接(FLJ)技术,探索了实现连续碳纤维增强塑料(CFRP)与铝合金高强度连接的可能性。相关成果以“Achieving a Strong Friction-Lap Joint of Continuous Carbon-Fiber-Reinforced Plastic/Aluminum Alloy via a Surface Laser-Processing Pretreatment”发表在《Advanced Engineering Materials》期刊上。

研究的内容主要集中在开发一种创新的连接技术,用于实现连续碳纤维增强塑料(CFRP)与5052铝合金之间的高强度结合。研究团队通过表面激光处理预处理金属表面,创造出一种具有高孔隙率的特殊表面结构,然后利用摩擦搭接连接(FLJ)技术将预处理过的铝合金与含有50%-55%碳纤维含量的CFRP连接起来。

图 铝合金/碳纤维增强塑料(CFRP)的摩擦搭接连接(FLJ)过程的示意图

研究的核心在于探索和解决传统连接方法在连接CFRP和金属时遇到的挑战,如接头中的气泡问题、热分解、以及由于材料性质差异导致的粘接强度不足等。通过激光处理,不仅显著提高了接头的机械互锁效应,而且改变了铝合金表面的润湿性,增加了粘附功,从而促进了CFRP与铝合金之间的化学和物理结合。

图 a) 激光预处理后表面形貌的示意图,b) 激光预处理后的5052铝合金表面,c) 激光预处理后的5052铝合金截面

此外,研究还涉及了对连接区域的理论计算、粘附功的量化分析,以及通过有限元分析(FEA)对残余应力的可视化研究。这些分析帮助团队理解了激光处理如何影响接头的微观结构和残余应力分布,以及这些因素如何共同作用以提高接头的整体性能。

这项研究最终成功实现了CFRP与铝合金的高强度连接,并通过实验验证了连接接头的力学性能,为轻量化材料在汽车、航空航天等领域的应用提供了新的连接解决方案。

图 不同连接速度和连接状态下接头的典型SEM图像

图 1200毫米/分钟下的激光处理接头界面的典型SEM图像

本研究中使用的泽攸科技ZEM台式扫描电镜主要应用于详细观察和分析CFRP与铝合金接头的微观结构特征。它用于获取接头界面的高分辨率图像,以评估激光表面处理对材料表面微观形态的影响,包括表面粗糙度和微孔结构的形成。此外,ZEM台式扫描电镜还用于识别和分析接头中可能出现的缺陷,如孔洞和裂纹,这些缺陷对接头的机械性能有重要影响,通过观察断裂后的样品表面,研究者能够了解接头的断裂机制,包括断裂模式和断裂路径,这些信息对于理解接头的力学行为和优化连接工艺至关重要。

泽攸科技ZEM台式扫描电镜