金属-增强聚合物注塑成形的熔体流动与界面性能控制

As having the characteristics of high strength, small quality and easy forming complex structures, metal-polymer composite parts are receiving increasing attention in the field of aerospace, automotive manufacturing and communications. Based on the forming technology for the metal-polymer composite parts, a new method to manufacture these products is proposed in this project. The relationship between the composition/micro-morphology of the metal surface and the combination properties are studied.The flow process of the melt injecting to the microsturctures as well as the phase transfer behaviour and the morphology change process are discussed. The effect of the factors including the flow process, the phase transfer behaviour of the melt on the combination properties are analyzed and the combination mechanism is revealed. The method to control the flow process and the phase transfer behaviour of the melt is established. The melt flow process influenced by the microscale effect and the injection parameters are analyzed. Accordingly, the melt flow process influencing the combination properties of the metal and reinforced polymer are studied. The results presented of the project could supply useful data for the engineering application of the polymer resin injection bonding with the matal alloy technnology.

金属合金（铝/镁合金、高强度钢板）-增强聚合物（玻璃纤维/碳纤维/固态颗粒等）复合件具有强度高、质量小、易成形复杂结构等优点，在航空航天、汽车制造、通讯等领域日益得到重视。围绕金属—增强聚合物复合件的成形理论与技术，提出金属-增强聚合物直接注射成形方法，研究金属微构面形态和成分对金属-增强聚合物界面结合的影响规律；探讨成形过程中增强注塑熔体在高温金属微构面的填充流动、充填过程中熔体/纤维/颗粒等相的迁移行为和形态演变规律，揭示上述因素对金属-增强聚合物界面结合力学性能的影响规律与机理；建立增强熔体流动和相迁移的有效调控方法，在此基础上，研究微尺度和宏观注射工艺参数影响下的熔体流动行为对金属—增强聚合物界面结合性能的影响规律，为工艺开发与生产应用提供理论指导和基础工艺数据支撑。

轻质、高强的金属-聚合物复合构件的应用是解决能源过度消耗的有效途径之一。快速有效的获取界面结合强度高的复合构件具有很大的挑战性。本项目提出了一种成形效率高、且环境友好的聚合物-铝合金复合构件的成形方法。探讨了喷砂参数对铝合金表面粗糙度的影响，定量讨论了表面粗糙度对注塑成形的聚苯硫醚-铝合金复合构件界面结合性能的影响，当金属表面粗糙度（Ra 5.35 µm）拥有较大的结合强度。采用阳极氧化的表面处理方式对铝合金表面进行持续改进，在铝合金基底上形成了纳米级的微结构和Si-O-Al化学键，讨论了纳米结构尺寸和孔隙率对PPS-Al复合构件结合性能的影响。结果表明，通过控制纳米结构的直径尺寸和孔隙率，可使，PPS-Al复合构件的结合强度和断裂功达到最高。分析了表面-OH相对含量对铝合金表面润湿性和结合强度的影响。通过控制-OH含量，可使复合构件的结合强度和断裂功达到最大。对铝合金喷砂表面进行纯水处理，对铝合金表面的勃姆石结构和成分进行分析，讨论了AlOOH的相对含量及其润湿性对界面结合性能的影响。当AlOOH的相对含量为0.236时，注塑获得的聚苯硫醚—铝合金构件界面结合强度为超过30 MPa。研究证明，在铝合金表面上形成的微结构和化学官能团对PPS-Al复合构件的结合强度起着至关重要的作用。利用阳极氧化和硅烷偶联剂对铝合金表面进行处理，然后通过控制注塑工艺参数，成功制得了铝合金（Al）-丁腈橡胶（NBR）复合密封构件。研究了阳极氧化电解液温度\偶联剂浓度以及注塑成型时铝合金基材表面温度与成型构件界面力学性能的对应关系。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对不同条件处理的铝合金基材表面微结构形态和组织成分进行表征，获得了铝合金表面结构形态和成分对铝合金-丁腈橡胶界面结合强度的影响规律。