热钻技术制备的混合粘接-机械金属-复合材料接头研究

《Applied Sciences》：Study of Hybrid Adhesive–Mechanical Metal–Composite Joints Created by Thermal Drilling Technology

　　

本研究旨在验证利用热钻技术在铝板和碳纤维、玻璃纤维增强聚丙烯（PP）基复合材料之间形成混合粘接-机械接头的可能性。该研究响应了汽车和航空航天工业的减重趋势，寻求能够保持增强纤维连续性的连接方法。研究方法包括在铝上施加实验性有机硅烷剂、顺序热钻以及使用9.3 mm直径工具对套筒几何进行创新性修改。通过拉伸剪切测试和计算机断层扫描（CT）无损分析评估接头质量。结果表明，有机硅烷层显著提高了玻璃纤维接头的承载能力和粘附性。混合接头比纯粘接接头表现出更高的能量吸收。所提出的套筒几何修改导致总耗散能量统计显著增加（28%至37%），并且失效机制从复合材料拉出转变为套筒剪切，这是期望的变化。CT分析通过径向偏转证实了纤维完整性的保持。因此，通过具有修改几何的热钻进行的混合连接有效地利用了多材料结构中金属材料的机械性能。

**论文解读：热钻技术制备的混合粘接-机械金属-复合材料接头研究**

**研究背景与问题**
当前汽车和航空航天工业面临减重需求，以降低CO₂排放和燃料消耗，推动多材料设计的发展，即结合轻质非铁金属（如铝合金）与连续纤维增强复合材料（FRP）。这种组合能发挥金属的塑性、冲击能量吸收和热导率，以及复合材料的高比刚度、振动阻尼和疲劳抗力。然而，将物理和化学性质截然不同的材料可靠连接是主要挑战。传统方法存在局限：焊接因熔点差异和微观结构不兼容而困难；粘接虽然应力分布均匀，但需复杂表面预处理、固化时间长、对老化敏感且失效模式脆性，能量耗散低；机械连接（如铆接、螺栓连接）需预钻孔，破坏纤维连续性，导致应力集中，降低承载能力。尽管无预钻孔技术（如自冲铆接）可减少工序，但纤维损伤仍不可避免。热钻技术（Flowdrill）利用摩擦热使金属局部软化并塑性变形形成套筒，穿透复合材料，可避免纤维断裂，同时利用热塑性基体熔化形成附加粘接，具有形成高能量吸收混合接头的潜力。但现有研究多集中于钢-复合材料连接或仅分析热钻过程本身，缺乏铝与聚丙烯（PP）基复合材料组合的系统实验数据，且标准圆锥形套筒在受力时产生切向力分量，导致复合材料滑脱，未能充分利用金属力学性能。本研究旨在验证铝与PP基复合材料（碳纤维或玻璃纤维增强）形成混合粘接-机械接头的可能性，设计套筒几何修改（反向钻孔）以消除圆锥轮廓的缺点，并测试有机硅烷底漆以改善粘附性。论文发表在《Applied Sciences》。

**关键技术与方法**
研究人员选用了汽车工业常用材料：铝EN AW-6082 T6（1 mm厚）和PP基复合材料（玻璃纤维GF或碳纤维CF增强，1.55 mm厚，来自Envalior, Bond-Laminates GmbH, Brilon, Germany）。采用实验性有机硅烷剂（OS）涂覆于铝表面以增强粘附，随后进行顺序热钻（先预热复合材料并钻孔，再与铝重叠钻孔），使用Flowdrill Long 5.3 mm工具，转速4800 min^-1，进给60 mm·min^-1，并形成翻边封闭接头。为消除圆锥套筒的切向力，提出修改套筒几何（MG）方法：使用9.3 mm直径工具反向钻孔，使套筒内表面变为圆锥形、外表面变为圆柱形。通过拉伸剪切测试（TIRA test 2300）评估接头承载能力，并利用计算机断层扫描（CT）分析纤维完整性。

**研究结果**

**3.1 SEM分析和3.2 粗糙度**：扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDX）分析确认铝表面存在有机硅烷层（含C、Si），表明有机改性SiO₂纳米颗粒沉积。粗糙度测量显示，有机硅烷层仅轻微改变表面垂直参数（Ra、Rz）和水平参数（RSm），因此承载能力提升主要源自化学键合而非机械锁合。

**3.3 粘接接头承载能力**：纯粘接接头测试显示，Al-CF和Al-CF OS接头在夹持时即失效，承载能力极低；Al-GF接头同样不理想，但施加有机硅烷层后，Al-GF OS接头平均最大力F_max达4.5 kN（最大5.8 kN），能量耗散W显著提高。失效模式为粘接失效，铝表面仅留纤维印痕。因此，后续混合接头仅对GF复合材使用有机硅烷层。

**3.4 冶金学研究**：混合接头横截面显示，翻边可限制复合材料分层，纤维在翻边下被包裹并集中，表明热钻过程中纤维发生偏转。

**3.5 混合接头承载能力**：Al-CF接头F_max较低；Al-GF OS接头承载能力为3.9–6.1 kN，变异系数≤12%。力-位移曲线显示，Al-CF仅有一个套筒失效区域，而Al-GF OS有两个区域：先粘接失效（三角形），后套筒机械失效。失效模式包括套筒变形（弯曲）导致复合材料拉出，或翻边剪切。这两种失效均因切向力分量导致套筒塑性变形。

**3.6 套筒几何修改**：提出修改方案，通过9.3 mm工具反向钻孔，使套筒外表面变为圆柱形，消除切向力分量，预期失效位置从翻边移至套筒根部（更厚处）。

**3.7 冶金学研究（修改几何）**：根据铝板套筒厚度计算，所需工具偏移量最大2.7 mm。横截面观察确认修改后套筒形状变化。

**3.8 混合接头承载能力（修改几何）**：Al-CF MG接头F_max仍较低；Al-GF OS MG接头F_max为4.2–5.9 kN。力-位移曲线仍显示两个区域，但套筒失效模式显著改变：出现套筒在板面下方剪切的新现象（部分或完全剪切），表明切向力消除，套筒材料开始贡献力学性能。尽管F_max变化不显著，但总耗散能量W增加。

**3.9 能量耗散分析**：将力-位移曲线下的面积分为粘接部分和机械部分，量化能量分配。统计显示，修改几何后，Al-CF MG接头总能量增加37.33%，Al-GF OS MG接头增加27.96%，机械部分占比从20.77%升至28.34%。失效模式统计显示，修改几何后，套筒剪切成为主导失效模式，实现了设计目标。

**3.10 统计评估**：通过Shapiro-Wilk正态性检验和Fisher F检验，再使用Student t检验。结果显示，修改几何后，Al-GF OS MG接头粘接部分能量W显著增加；两种材料组合的机械部分能量W均显著增加；总能量W的差异在0.05显著性水平下具有统计显著性。

**3.11 纤维失效分析**：CT扫描显示，铝套筒和翻边连续，复合材料中纤维在套筒周围偏转，无明显断裂，径向偏转保持纤维完整性。修改几何后，套筒外径锥度消除，尺寸差异被测量。

**讨论与结论**
研究证实，通过热钻技术可在铝与PP基复合材料间形成混合粘接-机械接头。有机硅烷层对玻璃纤维复合材料接头显著改善粘附，但对碳纤维复合材料无效，因后者纤维体积分数更高，自由PP基体较少。套筒几何修改（反向钻孔）消除了切向力分量，使失效模式从复合材料拉出转变为套筒剪切，总耗散能量增加28%–37%，统计显著。CT分析确认纤维通过径向偏转保持完整性。研究结论指出：推荐工艺参数（转速4800 min^-1、进给60 mm·min^-1）；采用顺序热钻策略以减少分层；对玻璃纤维复合材料使用有机硅烷；对高能量需求部件推荐9.3 mm工具修改几何；所有接头应完成翻边封闭。这些建议使失效机制转向套筒剪切，充分利用金属力学性能，且CT证明纤维连续。研究局限性包括固定参数、未评估长期耐久性，未来需研究参数敏感性、湿热老化、盐雾和热循环，以及探索其他热塑性基体（如聚酰胺6）。