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复合材料与镁合金的热压连接及表面氧化层对接头强度的影响

国立韩巴大学的研究团队针对金属和塑料异种材料连接，开发一种新的工艺，被称为热压连接（hot metal pressing，HMP），并使用HMP工艺连接CFRP和镁合金，研究其可行性、接头性能和键合机理。
前言：国立韩巴大学的研究团队针对金属和塑料异种材料连接，开发一种新的工艺，被称为热压连接（hot metal pressing，HMP），并使用HMP工艺连接CFRP和镁合金，研究其可行性、接头性能和键合机理。研究成果“Hot metal pressing joining of carbon fiber reinforced plastic to AZ31 Mg alloy and the effect of the oxide surface layer on joint strength”发表于期刊“Applied Surface Science”。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.009
 
实验过程
实验选择AZ31镁合金和碳纤维增强聚氨基甲酸酯(CF/TPU)作为研究对象。镁合金和CFRP板用酒精清洗后，将它们布置成形成搭接接头（搭接量为40 mm），镁合金片在CFRP片的顶部。通过螺栓将两个片材紧固在夹具上，上侧使用自重20kg的Cu块加压。在接合过程中，将Cu块加热到目标温度（400、500和600℃）并保温5min。
表1 实验参数
图1.SEM图像显示了（a）AZ31镁合金和（b）CFRP的微观结构
图2.HMP连接技术的设置示意图
图3.（a）HMPB1、（b）HMPB2、（c）HMPB3和（d）HMPB4的界面结构
 
实验结果
图4.（a）HMPA0（b）HMPA3（c）HMPB3和（d）HMPC3接头的前视图和后视图
图5.不同温度条件下HMP连接技术的拉伸剪切载荷与退火时间的关系（HMPA-400℃，HMPB-500℃和HMPC-600℃）
图6.HMPB0接头界面的横截面SEM图像
图7.HMPB1、HMPB2和HMPB3接头界面的横截面SEM图像
图8.HMPB3接头界面的SEM图像和EDS测试结果
图9.HMPB4接头的接头界面的横截面SEM图像
图10.（a）HMPB0（b）HMPB1（c）HMPB2（d）HMPB3和（e）HMPB4的断裂表面
图11.HMPB3接头样品的断裂表面的SEM图像，（a）镁合金板的表面和（b）CFRP板的表面
图12.HMPB3接头样品断裂面的SEM图像和EDS绘图结果，（a）镁合金断裂面和（b）CFRP断裂面
图13.（a）HMPB0接头样品和（b）HMPB1接头样品的Mg合金的断裂表面获得的XPS光谱
图14.(a)HMPB1接头界面的TEM图像，（b）（a）中方框区域的放大图，其显示夹在Mg合金和CFRP之间的氧化物层
图15.HMPB1接头界面的TEM-EDX元素图。双平行线表示氧化层的位置
图16.(a)HMPB1接头界面的TEM图像和（b-c）放大图和（a）中方框区域的对应的SAED图案，其证实氧化物层为MgO
图17.(a)HMPB1接头界面的暗场TEM图像和（b）EDX线扫描
图18.(a)HMPB3接头界面的TEM图像，（b）（a）中方框区域的放大图，其显示夹在Mg合金和CFRP之间的MgO层，（c）MgO的氧化物层的SAED图案
图19.HMPB3接头界面的TEM-EDX元素图。双平行线表示氧化层的位置
图20.(a)HMPB3接头界面的TEM图像和（b）（a）中的方框区域的SAED图案，其证实结构为MgO
图21.(a)DF-TEM图像和（b）HMPB3接头界面的EDX线扫描
图22.CFRP和AZ31镁合金之间的HMP搭接接合机制示意图
 
结论
1）采用HMP连接技术成功实现了CFRP板与AZ31镁合金板的连接；
2）通过在AZ31镁合金表面形成氧化物层实现了较高的接头强度；
3）氧化层的形成抑制了CFRP的分解和大量气泡的形成；
4）在接头界面附近观察到氧化层生长到CFRP中。
 

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