超輕質(zhì)泡沫鋁刮擦振動釬焊界面潤濕及結(jié)合機理的研究項目摘要

隨著載人航天及高速列車等領域?qū)Τp質(zhì)多孔、大面積、高強度泡沫鋁夾芯板及異型件的迫切需求，泡沫鋁的連接顯得日益重要。針對泡沫鋁膠黏強度低、不耐高溫和腐蝕、易老化和真空放氣，熱壓粉末冶金易團聚和受大面積的限制，傳統(tǒng)釬焊方法難潤濕、電化學腐蝕及強度低等問題，提出了無釬劑機械刮擦和超聲振動輔助釬焊泡沫鋁的概念，即利用機械刮擦破除泡沫鋁表面致密的氧化膜，為潤濕提供初始界面，利用超聲振動空化和流變、沖擊效應促進釬料的鋪展和氧化膜的去除，從而釬焊獲得泡沫鋁間及與致密金屬間的冶金結(jié)合界面。在上述研究基礎上重點研究無序多孔泡沫鋁表面釬料的潤濕和界面行為，泡沫鋁與鋁合金板異材連接的冶金界面物理化學過程及其界面微觀結(jié)構(gòu)、從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)的控制，并基于能量最小原理建立具有初始潤濕界面和超聲振動促進的無序多孔泡沫鋁表面的釬料潤濕行為物理模型，以及泡沫鋁夾芯板承載特性和失效機理。

本項目針對泡沫鋁膠黏強度低、不耐高溫和腐蝕、易老化和真空放氣，熱壓粉末冶金易團聚和受大面積的限制，傳統(tǒng)釬焊方法難潤濕、電化學腐蝕及強度低等問題，提出了無釬劑機械刮擦和超聲振動輔助釬焊泡沫鋁的概念，即利用機械刮擦破除泡沫鋁表面致密的氧化膜，為潤濕提供初始界面，利用超聲振動空化和流變、沖擊效應促進釬料的鋪展和氧化膜的去除，采用Zn-Al-Cu基合金為釬料，通過刮擦振動輔助的方法，釬焊獲得了泡沫鋁間及與致密金屬間的冶金結(jié)合界面，釬焊界面連續(xù)無缺陷。機械刮擦去除表面的氧化膜，形成毛細通道，使?jié)櫇皲佌鬼樌M行。釬焊制備的夾芯三明治板，其鋁板與泡沫鋁的連接處，釬料與鋁板結(jié)合致密，僅與泡沫鋁的孔壁端面結(jié)合，再次冷卻階段無振動作用時，釬料未進入泡沫鋁的孔隙中，機械振動時，釬料流布并填充進入孔隙中但填充不均勻，超聲振動時，釬料流布并填充進入孔隙且填充均勻。泡沫鋁與制備的夾芯結(jié)構(gòu)板，壓縮試驗對應的應力－應變曲線均分為三個階段：彈性階段、應力平臺階段和密實化階段；其壓縮的吸能－應變曲線形狀相似，隨著應變的增加，吸能-應變曲線的斜率逐漸增大，表明吸能效率增大。夾芯結(jié)構(gòu)板的三點彎曲試驗，應力-應變曲線也由三個階段組成：面板局部屈曲、芯體剪切失效和面板的凹陷及芯層密實的變化過程。在三點彎曲與落錘沖擊的試驗中，夾芯結(jié)構(gòu)板都表現(xiàn)出了比泡沫鋁更為優(yōu)異的性能，強度與能量吸收為泡沫鋁的幾倍甚至幾十倍。試驗后，夾芯結(jié)構(gòu)整體未斷裂，芯層破壞嚴重，界面連接依然良好。在上述研究基礎上重點研究了無序多孔泡沫鋁表面釬料的潤濕和界面行為，泡沫鋁與鋁合金板異材連接的冶金界面物理化學過程及其界面微觀結(jié)構(gòu)、從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)的控制，揭示了泡沫鋁夾芯板承載特性和失效機理，并建立了具有初始潤濕界面和振動促進的無序多孔泡沫鋁表面的釬料潤濕行為物理模型，釬料在泡沫鋁等多孔材料表面的潤濕行為，受表面狀態(tài)、釬料成分、孔隙率等因素的影響。本項目研究結(jié)果為泡沫多孔材料的連接提供了新的思路。 2100433B

塑料制品表面有好幾種明顯損壞的方法，其中有尖銳物體的劃痕；磨料摩擦產(chǎn)生的磨損；改變表面性能或光澤的表面損傷；或者鈍化物體輕微刮擦造成的“寫入效果”。根據(jù)汽巴精化的高級研究員AshuSharma博士的解釋，材料在壓入力和滑動力或橫（側(cè)）向力的作用下發(fā)生屈服，產(chǎn)生延性/脆性破壞從而造成刮痕。在刮痕中，不平的表面產(chǎn)生不均勻的光散射和“刮痕發(fā)化”。改善刮痕性能的解決方法包括盡可能減小聚合物底面粗糙程度和降低刮痕的胎肩，以產(chǎn)生盡可能少的光散射以及盡可能小的刮痕可見度。準確地測量耐刮擦性能，弄清楚表面破壞背后的材料科學知識對于形成改善方案是重要的。

然而聚烯烴材料的耐刮擦性能明顯較差，而這一性能卻是儀表板、操控臺和門板表皮等汽車內(nèi)部應用部件的關鍵性能。抗刮性是汽車外部應用部件、ATVs（全地形車輛）等車輛、耐用品和家具等的重要性能之一。塑料和汽車工業(yè)正積極尋找解決方案以提高聚烯烴材料的耐刮擦性能。表面性能提高的聚烯烴能很好地代替金屬和工程樹脂材料，同時還能很好地塑造出有顏色的用途。通過涂料、無機礦物填料和其它助劑技術可以提高聚烯烴的耐刮擦性能。此外耐刮擦性能還取決于其它很多因素，例如樹脂的類型、填料含量、助劑、顏料、加工條件和表面粒度等。