金啟豪，陳 娟*，彭立明，李子言，閻 熙，李春曦，侯城成，袁銘揚(yáng)

(1 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心，上海 200240；2 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，運(yùn)載工具的輕量化已成為當(dāng)今人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在汽車及民用客機(jī)領(lǐng)域，載具的輕量化不僅能更好地滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排需求，也可以進(jìn)一步提升安全性。鋁合金的密度只有低碳鋼的1/3，代替鋼材成為車身用材，可減重50%，整車質(zhì)量至少可以減少10%。在新能源汽車領(lǐng)域，電動(dòng)汽車質(zhì)量減少10%，對(duì)應(yīng)續(xù)航里程可提高5.5%[1]。此外，鋁材再制造性、抗腐蝕性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性都比低碳鋼好。因此，鋁合金在汽車行業(yè)中逐漸成為車身制造的主要材料之一。在奧迪最新款A(yù)8L車身上，已大量使用鋁鎂合金，而特斯拉Model S也已開(kāi)發(fā)出全鋁車身，使其具備高續(xù)航優(yōu)勢(shì)。鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度比鋁還低30%，比強(qiáng)度與比剛度高，減震性能是鋁的30倍，被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”[2]。鎂資源在全球的儲(chǔ)量極為豐富，尤其是中國(guó)擁有全球最豐富的鎂礦含量，是鎂出口大國(guó)，賦予了鎂合金研究更大的戰(zhàn)略意義。但受限于開(kāi)采成本和加工技術(shù)，目前鎂合金在汽車部件上的應(yīng)用還相對(duì)較少，主要局限于壓鑄件。不過(guò)已有學(xué)者證實(shí)鎂鋁兩種合金的加工成本基本一致[3]，隨著鎂資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與鎂合金制備加工技術(shù)的完善，鎂合金價(jià)格會(huì)進(jìn)一步降低，成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯，在輕量化生產(chǎn)上前景廣闊[4]。

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基(carbon fiber-reinforced polymer, CFRP)復(fù)合材料是以高分子樹(shù)脂基材料為基體，碳纖維為增強(qiáng)材料，通過(guò)復(fù)合工藝制備而成的新型材料[5]。它具有高比強(qiáng)度、高比模量，耐疲勞、耐腐蝕、阻尼減震性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。相比金屬材料，CFRP還具有各向異性特點(diǎn)，在纖維增強(qiáng)方向具有良好的力學(xué)性能[6]。目前碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料已成為最重要的航空結(jié)構(gòu)材料之一。波音787由于在主體結(jié)構(gòu)(包括機(jī)翼和機(jī)身)上大量采用先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，其質(zhì)量比可達(dá)到空前的50%，使得波音787比同類飛機(jī)燃油消耗節(jié)省20%[7]。

由此可見(jiàn)，鋁鎂等輕合金和CFRP作為優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)材料，在輕量化生產(chǎn)中的重要性愈發(fā)突顯，而且在絕大部分場(chǎng)景下，往往是將兩者進(jìn)行混合使用，獲得最大限度的輕量化效果。在汽車領(lǐng)域中，由于CFRP具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能水平是鋼的6～7倍，比剛度是鋁合金的5～7倍，因此其在汽車吸能盒和保險(xiǎn)杠中有良好的應(yīng)用前景，這就要求此類CFRP制成的模塊能與車身主體鋁鎂材料進(jìn)行有效連接。同理，在航空航天和高鐵等尖端領(lǐng)域，雖然CFRP的使用率逐步提升，但是在機(jī)體車體的主要承重件和機(jī)車架上，仍以金屬合金為主。因此，如何實(shí)現(xiàn)這兩類輕質(zhì)材料的有效連接，形成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，成為新的研究熱點(diǎn)。然而由于復(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)纖維與高分子基體的潤(rùn)濕性問(wèn)題，以及CFRP與輕合金物理化學(xué)性能的較大差異，輕合金與CFRP的連接存在著一定的挑戰(zhàn)。本文將從輕合金與CFRP連接的難點(diǎn)入手，介紹輕合金與CFRP這兩類異種材料連接的不同工藝與連接機(jī)理，以期為未來(lái)輕合金和CFRP連接研究提供新思路。

1 鋁鎂輕合金和CFRP異種材料連接所面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)于任何一種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料體系來(lái)說(shuō)，基體與增強(qiáng)纖維之間的高黏結(jié)性不可或缺，從而可以保證外力作用下，界面可將外部載荷有效地傳遞到纖維上，發(fā)揮其改善復(fù)合材料力學(xué)性能的作用。典型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在復(fù)合材料的界面相或界面層[8-10]具有納米以上尺寸的厚度，是與樹(shù)脂基體相以及纖維增強(qiáng)相在結(jié)構(gòu)上具有明顯區(qū)別的新相。界面層對(duì)于復(fù)合材料的強(qiáng)度有兩點(diǎn)重要的貢獻(xiàn)：一是界面將樹(shù)脂和纖維統(tǒng)一為一個(gè)有機(jī)整體，并通過(guò)它傳遞外界力的作用；二是界面可以有效減少材料應(yīng)力集中的現(xiàn)象，抑制裂紋擴(kuò)展，防止層壓板材進(jìn)一步被破壞。然而在連接CFRP，特別是較高溫連接時(shí)，溫度很容易超過(guò)高分子樹(shù)脂基的熔點(diǎn)，熔融后的樹(shù)脂基和碳纖維之間發(fā)生脫粘現(xiàn)象，界面層遭到破壞，復(fù)合材料無(wú)法作為一個(gè)整體將外力傳遞到增強(qiáng)纖維上，CFRP母材強(qiáng)度急劇降低，往往成為連接接頭處裂紋的萌生點(diǎn)。此外，CFRP和鋁鎂等輕合金理化性能上的較大差異(見(jiàn)表1[11-12])也給異種材料的連接帶來(lái)諸多困難，比如在激光焊接過(guò)程中，熱膨脹系數(shù)的差異容易導(dǎo)致輕合金和CFRP界面處在冷卻時(shí)產(chǎn)生裂紋。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過(guò)低的熱導(dǎo)率使得一些焊接工藝在組裝時(shí)只得采用金屬板在上，高分子板在下的結(jié)構(gòu)，相對(duì)制約了焊接工藝的應(yīng)用。

表1 CFRP與輕合金理化性能參數(shù)[11-12]Table 1 Physical and chemical parameters of CFRP and light alloys[11-12]

諸多難題給CFRP和鋁鎂輕合金的連接進(jìn)一步邁向?qū)嶋H應(yīng)用帶來(lái)不小挑戰(zhàn)，目前國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者積極投身于研究解決這一系列難題中，研究者們?cè)诓捎媚z接、機(jī)械緊固等傳統(tǒng)連接方法的同時(shí)，探索使用攪拌摩擦焊、摩擦搭接焊等新型連接方法，并且根據(jù)傳統(tǒng)連接方法遇到的一些問(wèn)題，嘗試采用多種連接方式混合應(yīng)用的方法，例如膠鉚復(fù)合工藝、激光輔助摩擦搭接焊等。以下將選取幾類典型的輕金屬與CFRP連接工藝進(jìn)行討論，對(duì)目前相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行匯總分析，以進(jìn)一步明確異種材料之間的連接機(jī)理，為改進(jìn)輕金屬與CFRP連接工藝夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 鋁/鎂輕合金和CFRP異種材料連接技術(shù)

2.1 膠接(adhesive bonding)

膠接是一種在母材之間添加膠黏劑，并依靠膠黏劑與母材間吸附力實(shí)現(xiàn)材料大面積接觸的固相連接法[13]。膠接法的優(yōu)勢(shì)在于其使用的膠黏劑質(zhì)量極輕，不會(huì)給接觸面帶來(lái)額外質(zhì)量，并且這種工藝不會(huì)損傷樹(shù)脂基及其表面的纖維組織。膠接連接的失效形式主要受到母材強(qiáng)度、界面結(jié)合強(qiáng)度和膠黏劑強(qiáng)度這三種因素中強(qiáng)度最弱者的制約，因而斷裂形式分為母材基材斷裂、界面黏附斷裂、膠層內(nèi)聚斷裂以及混合斷裂[14]。

母材的表面性能對(duì)膠接連接的接頭強(qiáng)度起決定性作用，在膠接前進(jìn)行母材表面的預(yù)處理可以有效提高連接強(qiáng)度和接頭的延展性，這是因?yàn)楸砻骖A(yù)處理可以增強(qiáng)母材的表面能和表面張力，同時(shí)降低其與水分的接觸角[15]。典型的表面預(yù)處理方法有溶劑清洗、打磨、等離子處理和激光處理等。

然而異種材料理化性能的不同使得膠接面臨極大的挑戰(zhàn)，如碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚(CF-PPS)的線膨脹系數(shù)是AZ31鎂合金的兩倍。兩種材料較大的熱膨脹系數(shù)差異使得兩者結(jié)合處的輕合金側(cè)出現(xiàn)顯著的殘余拉伸應(yīng)力，降低了結(jié)合面的力學(xué)性能[16]。熱膨脹系數(shù)的差異還會(huì)導(dǎo)致膠接件在高溫服役條件下，膠接接頭嚴(yán)重變形甚至發(fā)生脫膠的情況。此外，膠接工序耗時(shí)極長(zhǎng)，待膠黏劑完全固化形成良好接頭往往需要一天甚至數(shù)天時(shí)間，這也進(jìn)一步制約了膠接工藝在異種材料連接上的應(yīng)用。

2.2 機(jī)械緊固(mechanical fastening)

機(jī)械緊固法是使用額外的夾緊件如螺絲、鉚釘?shù)刃纬僧愘|(zhì)材料間有效接頭的連接方法。機(jī)械緊固工藝由于沒(méi)有額外熱源，可以有效避免熱輸入引起的接頭軟化、界面硬脆相生成等問(wèn)題。此外，機(jī)械連接法無(wú)需表面預(yù)處理，工藝流程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)是連接組件最常用的方法[17]。但是機(jī)械緊固也存在一定的局限性，一方面緊固件的使用增加了組件的質(zhì)量，這與輕量化生產(chǎn)的理念相悖，另一方面在緊固件孔周圍會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，這往往會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低并最終造成連接件受腐蝕的問(wèn)題[18]。Scattina與Caccese等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，在蠕變和周圍環(huán)境作用下，復(fù)合物與金屬的連接接頭強(qiáng)度容易受到螺栓載荷損失的影響，溫度與壓力的變化會(huì)造成材料的松弛，而增加CFRP板材表面質(zhì)量則可以有效減少螺栓載荷損失。

對(duì)于CFRP和輕合金機(jī)械緊固工藝來(lái)說(shuō)，鉚接是目前研究的重點(diǎn)，因?yàn)殂T接可以形成可靠的連接接頭[21]。由于在鉚接過(guò)程中下板往往承受更大的變形量，考慮到高分子板材延展性低于金屬，因此在CFRP與輕合金的連接實(shí)驗(yàn)中，需要將金屬板放置在下層而將CFRP板放置在上層[22]。Settineri等[23]在研究自沖鉚接工藝連接CFRP與輕合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，接頭質(zhì)量主要取決于兩個(gè)因素：一是幾何參數(shù)，如板材厚度和鉚釘形狀，二是鉚接時(shí)施加的軸向力。Marannano等[24]通過(guò)對(duì)鉚接接頭材料的研究發(fā)現(xiàn)，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)下鉚釘材料對(duì)CFRP與輕合金接頭的斷裂模式有較大影響，鋼鉚釘是彎曲變形斷裂而鋁合金鉚釘是剪切失效斷裂。然而鉚接技術(shù)也面臨著一定的挑戰(zhàn)，以應(yīng)用最廣的自沖鉚接為例，當(dāng)下層板件較薄時(shí)，鉚釘易鉚穿下層板材引發(fā)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)下層板材延展性較低時(shí)，塑性變形過(guò)程中接頭底部易發(fā)生開(kāi)裂。

2.3 攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接所于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)[25]。攪拌摩擦焊裝置示意圖如圖1(a)所示，其連接機(jī)理十分簡(jiǎn)單：一個(gè)帶有特制攪拌針與軸肩的高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭插入相接的板材中，并沿著焊縫前進(jìn)，攪拌頭與工件高速摩擦產(chǎn)生的局部熱量可以軟化攪拌針附近的材料，并使材料由攪拌針前進(jìn)側(cè)流動(dòng)到攪拌針后退側(cè)(圖1(b))[26]。由于在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，材料在較高溫度下經(jīng)歷了劇烈塑性變形，因此可以產(chǎn)生細(xì)小均勻的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒[27]。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、下壓量和攪拌針形貌這四種工藝參數(shù)均會(huì)影響到焊接質(zhì)量，其中又以旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度為主要影響因素。與傳統(tǒng)連接方法相比，攪拌摩擦焊具有許多優(yōu)點(diǎn)，如工序簡(jiǎn)單耗時(shí)短、不會(huì)引入附加件質(zhì)量、操作綠色安全、接頭成型質(zhì)量高等。Nelson等[28]指出，攪拌摩擦焊接不僅可以用來(lái)連接金屬，還可以用來(lái)連接各種各樣的高分子材料。

圖1 攪拌摩擦焊原理圖(a)及焊縫表面俯視圖(b)[26]Fig.1 Schematic diagram of friction stir welding (a) and top view of the weld surface (b)[26]

關(guān)于使用攪拌摩擦焊連接CFRP與鋁鎂輕合金的可行性，已有學(xué)者做了相關(guān)研究。Ratanathavorn團(tuán)隊(duì)[29]和Shahmiri團(tuán)隊(duì)[30]在采用攪拌摩擦搭接焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁板放置在上，異材板放置在下時(shí)，雖然能形成焊接接頭，但是高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針會(huì)將底層的高分子卷入上層金屬板，生成夾雜有碎屑狀鋁合金和高分子材料的粗糙焊縫表面。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的黃永憲教授采用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮高分子板(CF-PEEK)在上，鋁板在下的焊接方法，成功獲得了表面光滑無(wú)缺陷的焊縫。針對(duì)這一現(xiàn)象，黃永憲教授分析認(rèn)為，此實(shí)驗(yàn)中除了采用固定軸肩的攪拌頭外，AA2060鋁板作為底板，可在攪拌頭下壓時(shí)為上板的高分子板提供足夠的支撐力，從而生成更高的摩擦熱，能有效彌補(bǔ)導(dǎo)熱率低的高分子板在上導(dǎo)致的熱量損失[31]。在該實(shí)驗(yàn)中，高分子板與鋁板的連接機(jī)理主要分為以下部分(如圖2[31]所示)：首先，高溫軟化的鋁合金隨著高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭流動(dòng)滲入上層高分子板中，形成了如圖2(a)所示的鋁錨(Al anchor)，這種宏觀機(jī)械互鎖的結(jié)構(gòu)能有效提高焊接接頭強(qiáng)度，是連接成功的主要原因；其次，受剪切力的作用，塑化后的鋁合金在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭作用下，表面生成鋸齒狀的縫隙，在焊接過(guò)程中呈塑性態(tài)的樹(shù)脂基與碳纖維會(huì)流入填補(bǔ)這些空隙，并且在隨后冷卻凝固的過(guò)程中受攪拌頭下壓力的作用與鋁板緊密結(jié)合起來(lái)，形成微觀的機(jī)械鎖合結(jié)構(gòu)(圖2(b))；最后是熔融固化后的樹(shù)脂基與金屬氧化物之間的化學(xué)鍵連接作用(圖2(c))。綜上所述，鋁板和CFRP通過(guò)攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)連接的機(jī)制可概括為三點(diǎn)：金屬錨型的宏觀互鎖結(jié)構(gòu)、高分子與碳纖維填入鋁板縫隙處形成微觀嵌合，金屬氧化物與高分子官能團(tuán)之間的化學(xué)鍵作用。

圖2 鋁合金和CFRP的三種連接方式[31](a)宏觀鋁錨；(b)微觀機(jī)械嵌合；(c)界面處氧化層Fig.2 Three connection models of aluminum alloy and CFRP[31](a)macro aluminum anchor;(b)micro mechanical interlocking;(c)oxide layer at the interface

2.4 連接技術(shù)改進(jìn)

2.4.1 膠接技術(shù)改進(jìn)

針對(duì)膠接技術(shù)易于脫膠且殘余應(yīng)力大的局限性，目前已開(kāi)發(fā)出膠鉚復(fù)合工藝、超聲波輔助膠接工藝[32]、激光膠焊工藝[33]等。膠鉚復(fù)合工藝是在母材接觸面涂覆膠接劑后，再進(jìn)行自沖鉚接(self-piercing riveting，SPR)的工藝，鉚釘?shù)牟迦胩峁┝溯S向力，使得粘連的兩塊母材能更好地連接起來(lái)。超聲波輔助膠接工藝的工作原理是在軸向方向使用超聲波震動(dòng)提供軸向力，使得CFRP與輕合金能更好地粘在一起，超聲波震動(dòng)的位置與時(shí)長(zhǎng)對(duì)接頭強(qiáng)度有重要影響，在最優(yōu)工藝條件下混接接頭的強(qiáng)度可提升52%[32]。激光膠焊工藝是在異質(zhì)材料激光焊接前，先在母材接觸面上涂覆一層膠黏劑的方法，大連理工大學(xué)的Liu等[34-38]針對(duì)異質(zhì)材料激光膠焊的研究發(fā)現(xiàn)，膠黏劑的引入不僅能改善接頭防腐蝕性能，膠黏劑在焊接過(guò)程中的汽化、分解和膨脹可有效阻止異質(zhì)材料之間的擴(kuò)散，此外，膠層的存在使得應(yīng)力可以均勻地分布在整個(gè)焊接區(qū)域，提高了接頭的抗疲勞性能。

2.4.2 鉚接技術(shù)改進(jìn)

國(guó)內(nèi)外許多研究者進(jìn)行了鉚接技術(shù)的改進(jìn)，預(yù)加熱SPR[39-42]和電輔助SPR[43-45]工藝通過(guò)鉚接前對(duì)底層金屬板材的加熱處理，改善了鎂合金和鑄鋁的延展性，降低了金屬板材的大變形抗力，有效消除了SPR過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。自沖摩擦鉚焊[46]通過(guò)旋鉚、原位攪拌兩個(gè)階段完成整個(gè)工藝過(guò)程，旋鉚階段鉚釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱軟化金屬，解決了SPR過(guò)程中低延展性材料難變形的難題。塞鉚焊[47-49]首先在上層板中預(yù)先打孔并將實(shí)心鉚釘“塞”進(jìn)孔中，后使用電阻塞鉚或電弧塞鉚實(shí)現(xiàn)下層板與同質(zhì)實(shí)心鉚釘?shù)暮附?，把上層板“鎖”在鉚釘蓋和下層板之間，有效規(guī)避了因下層板過(guò)薄而鉚穿的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3 摩擦搭接焊(friction lap welding,FLW)

由大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所(JWRI)在2012年發(fā)明的摩擦搭接焊是攪拌摩擦焊的變種技術(shù)，也是另一種連接輕合金和CFRP的可選手段。圖3為摩擦搭接焊原理圖和微觀截面圖[50]。如圖3(a)所示，摩擦搭接焊的工藝裝備與攪拌摩擦焊類似，主要區(qū)別在于摩擦搭接焊的攪拌頭上沒(méi)有攪拌針。因而此時(shí)攪拌頭的主要作用在于下壓并加熱工件[50]。如圖3(b)可知，由于此時(shí)沒(méi)有攪拌針的旋轉(zhuǎn)作用，F(xiàn)LW的界面未形成明顯的微觀機(jī)械嵌合形貌，而主要是熔融樹(shù)脂基固化后黏附于金屬板上，形成化學(xué)鍵連接作用。同時(shí)空氣在樹(shù)脂基熔融階段易被卷入，在隨后的固化階段形成了氣孔。大阪大學(xué)的Kimiaki等采用摩擦搭接焊的方法，成功連接了短碳纖維增強(qiáng)尼龍6高分子板和A5052鋁板[51]，其發(fā)現(xiàn)預(yù)打磨鋁板表面生成的氧化物Al2O3，MgO以及氫氧化物Al(OH)3提供的—O和—OH官能團(tuán)能和尼龍6中的NH和CH官能團(tuán)形成氫鍵，從而提高了界面處鋁板和熔融尼龍6的化學(xué)結(jié)合力，接頭的拉伸剪切強(qiáng)度由1.0 kN提升到2.9 kN[52]。接頭處鋁板上的斷裂表面形態(tài)可分為以下3種類型：接頭界面斷裂、裂紋空隙斷裂和CFRP母材內(nèi)聚斷裂。此外，在該實(shí)驗(yàn)中，Kimiaki等認(rèn)為空隙斷裂并非決定接頭強(qiáng)度的唯一影響因素，在低焊接速度下，CFRP母材自身斷裂是接頭斷裂的主要原因，而在高焊接速度和低轉(zhuǎn)速下，往往以接頭界面斷裂的形式發(fā)生斷裂[51]。

圖3 摩擦搭接焊原理圖(a)和微觀截面圖(b)[50]Fig.3 Schematic diagram (a) and microscopic cross-sectional view (b) of friction lap welding[50]

由于FLW的主要連接機(jī)理是依靠樹(shù)脂基與金屬板的粘連作用，即化學(xué)鍵連接，因此強(qiáng)度往往較低。提升接頭強(qiáng)度可從兩方面著手，即提高化學(xué)鍵接合效果和增強(qiáng)機(jī)械嵌合作用。Okada等[53]在焊接鋁板A2017P-T4和乙烯丙烯酸共聚物(EAA)高分子板時(shí)發(fā)現(xiàn)，相較于PE與金屬板無(wú)法連接的情況，EAA特有的官能團(tuán)羧基(COOH)中的Hδ+會(huì)與金屬氧化物中帶負(fù)電的O2-結(jié)合生成氫鍵，從而提高了分子間作用力，改善接頭強(qiáng)度。Liu等通過(guò)將PE板電暈放電增加官能團(tuán)的方法也驗(yàn)證了該觀點(diǎn)[54]。常用的增強(qiáng)機(jī)械嵌合的方法有噴砂法和表面陽(yáng)極氧化法[53]，但是這類方法往往只能在微觀尺度上增加金屬板的表面粗糙度，機(jī)械互鎖程度較低，因此接頭強(qiáng)度的提升效果較為有限。Wu等[55]采用一種激光輔助的摩擦搭接焊法，即在金屬與短纖維增強(qiáng)的CFRP混合焊接前，先在金屬板表面使用激光進(jìn)行預(yù)處理，增加金屬板表面粗糙度。圖4為激光處理后A5052鋁合金的橫截面顯微組織[55]。從圖4可以看出，激光預(yù)處理后的金屬板可以在宏觀尺度上增加粗糙度，形成了類似于FSW中提到的宏觀錨定結(jié)構(gòu)，可以大幅度增加與CFRP的嵌合作用。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用激光進(jìn)行表面預(yù)處理后，拉伸剪切力最大可達(dá)到4.9 kN，相較于濕磨預(yù)處理，其數(shù)值增加了一倍有余。此外，Wu等還觀測(cè)到，在使用激光輔助摩擦搭接焊后，斷裂主要發(fā)生在CFRP母材和近界面處熔融固化的CFRP中，而未處理的接頭往往在金屬與CFRP的界面處發(fā)生斷裂。

圖4 激光處理后A5052鋁合金的橫截面顯微組織[55]Fig.4 Cross-section microstructure of A5052 aluminum alloy after laser treatment[55]

2.4.4 摩擦點(diǎn)連接(friction spot joining,FSpJ)

摩擦點(diǎn)連接法是德國(guó)Helmholtz-Zentrum Geesthacht研究所基于摩擦點(diǎn)焊(friction spot welding)發(fā)明的連接新工藝[56]。André團(tuán)隊(duì)[57]和Amancio-Filho團(tuán)隊(duì)[11]已成功將該工藝運(yùn)用到連接鎂鋁合金和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PPS高分子板中。FSpJ的攪拌頭包含有三個(gè)部分：緊固環(huán)、軸肩和攪拌針，這三部分同軸安裝且可相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)(圖5(a))[56]。緊固環(huán)作為最外層部分，在整個(gè)連接過(guò)程中起到夾緊固定的作用，軸肩和攪拌針可各自獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，與工件摩擦產(chǎn)生所需熱量。連接過(guò)程示意圖如圖5(b)所示[56]，首先攪拌頭接觸上板(往往為金屬板)，然后軸肩下壓到指定位置同時(shí)攪拌針向上回抽。軸肩與金屬板之間的摩擦使得接觸區(qū)溫度上升到金屬熔點(diǎn)以下，導(dǎo)致合金局部的軟化和塑化，塑化的金屬隨之被壓入攪拌針回抽時(shí)留下的小孔內(nèi)，接著軸肩回抽而攪拌針下旋繼續(xù)擠壓塑化的金屬緊密填充金屬板上的小孔，最后攪拌頭抽離接頭在壓力作用下固化。軸肩與攪拌針只下壓到指定深度(大約是金屬板厚的40%)的原因，是為了避免高分子的撕裂，損害復(fù)合物中的網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)。

圖5 FSpJ攪拌頭各部分名稱(a)[56]與FSpJ工藝原理圖(b)[56]以及FSpJ接頭宏觀俯視圖(c)[57]和FSpJ接頭宏觀橫截面圖(d)[57]Fig.5 Name of each part of FSpJ tool(a)[56],schematic of the FSpJ technique(b)[56],top view of FSpJ joint(c)[57] and cross-sectional macrograph of FSpJ joint(d)[57]

FSpJ的連接接頭表面往往呈現(xiàn)光亮無(wú)缺陷的同心圓形貌(內(nèi)圓是材料流動(dòng)造成，外圓是緊固環(huán)留下的壓痕)，在其橫截面上能觀測(cè)到FSpJ工藝中特有的變形金屬板特征，即圖5(d)中橢圓形表示的金屬塊(metallic nub)[57]。接頭的橫截面微觀形貌圖清晰地展現(xiàn)了使用FSpJ連接金屬與CFRP的機(jī)理[11-12,57]。同F(xiàn)SW相似，金屬的塑性流動(dòng)變形會(huì)造成與CFRP接觸側(cè)的金屬表面產(chǎn)生孔洞與空隙，熔融的高分子基體便會(huì)流入填補(bǔ)這些缺陷(圖6(a)中黑色箭頭)，冷卻固化后形成與金屬之間的微觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。此外還可以觀測(cè)到在金屬/高分子板界面處存在一部分裸露的碳纖維，這些連續(xù)碳纖維會(huì)被塑化的金屬包裹起來(lái)(圖6(b)中黑色箭頭)，形成另一種形式的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。碳纖維裸露在外的原因是由于連接接頭處的高分子基體在高溫下熔化，黏性降低，受到攪拌頭施加的下壓力便從接頭中心位置擠壓到邊緣，使得該處只剩下碳纖維。而塑化的金屬在軸肩與攪拌針軸向力作用下滲入到CFRP表層包裹住這些連續(xù)碳纖維。同時(shí)，接頭中心熔融的高分子會(huì)流動(dòng)鋪展到遠(yuǎn)離攪拌區(qū)的整個(gè)FSpJ搭接接頭區(qū)域，在下壓力與空冷條件下這一層高分子會(huì)逐漸固化，在金屬板與CFRP之間形成附著力作用。因此，F(xiàn)SpJ連接金屬與CFRP的主要機(jī)理便是機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)和高分子黏附作用。

圖6 FSpJ接頭橫截面微觀示意圖[57](a)填入鋁板表面缺陷的高分子；(b)包裹碳纖維的鋁合金(黑色箭頭)和孔洞(白色箭頭)Fig.6 Microscopic cross-sectional view of the FSpJ joint[57](a)molten polymer filled into the crevices of the aluminum surface;(b)aluminum wrapping carbon fibers (black arrows) and micro voids (white arrows)

盡管以攪拌摩擦的方式連接金屬與CFRP已被證明是一種可行的方法，但是連接接頭的強(qiáng)度較小，往往低于40 MPa，還不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需求，表2[11,55,57-60]為摘選自部分文獻(xiàn)中CFRP與輕合金的連接接頭強(qiáng)度，從表中可以大致看出，混合連接方式的接頭強(qiáng)度最高，其次是機(jī)械緊固方式，而摩擦點(diǎn)焊相對(duì)摩擦搭接焊來(lái)說(shuō)，由于形成宏觀Nub結(jié)構(gòu)，接頭強(qiáng)度也有顯著的提升。但是FLW經(jīng)過(guò)一定的表面處理后強(qiáng)度即有明顯提升，這也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

表2 CFRP與輕合金連接性能Table 2 Joint properties of CFRP and light alloys

3 結(jié)束語(yǔ)

在航空航天、汽車等領(lǐng)域中，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)與輕合金的有效連接的需求越來(lái)越大。目前連接CFRP和輕合金的常用方法為粘接和機(jī)械緊固的方法，膠接法僅靠粘接劑連接工件，不需要施加外加應(yīng)力和緊固件，并且應(yīng)力分布均勻，契合了航空航天、汽車等輕量化生產(chǎn)的要求。機(jī)械緊固法由于操作簡(jiǎn)便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且接頭強(qiáng)度具有良好的靜態(tài)力學(xué)性能和較高的疲勞壽命，已被通用、寶馬、捷豹等公司用于異質(zhì)材料的連接。但它們都有各自的缺點(diǎn)，膠接法對(duì)母材表面要求高，在加工前需要進(jìn)行表面預(yù)處理，此外粘接法加工過(guò)程較長(zhǎng)，且會(huì)生成易揮發(fā)的有機(jī)化合物，造成環(huán)境污染。機(jī)械緊固不僅增加接頭質(zhì)量，還會(huì)造成應(yīng)力集中，誘發(fā)腐蝕的問(wèn)題。

攪拌摩擦焊作為一種清潔高效的固態(tài)連接方式，已被證明是連接輕合金和CFRP的有效方法。其連接機(jī)理可概括為以下三點(diǎn)：宏觀的金屬錨型互鎖結(jié)構(gòu)、微觀的金屬與CFRP嵌合結(jié)構(gòu)以及金屬氧化物與樹(shù)脂基的化學(xué)鍵作用?；贔SW原理的另兩種連接方法摩擦搭接焊(FLW)和摩擦點(diǎn)連接(FSpJ)也已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者證實(shí)可用作金屬與CFRP的連接方式。FLW由于不配備攪拌針，界面處材料的流動(dòng)性不及FSW強(qiáng)，因此FLW主要依靠?jī)砂褰Y(jié)合處熔融固化后的樹(shù)脂基提供黏附力作用。FSpJ工藝中塑化的材料受到軸肩和攪拌針的下壓力作用，流動(dòng)性較好，因此可以形成宏觀的機(jī)械鎖合Nub結(jié)構(gòu)，使得FSpJ的接頭強(qiáng)度高于前兩者。此外，F(xiàn)SpJ的連接機(jī)理還有樹(shù)脂基填補(bǔ)金屬板空隙和塑化金屬包裹碳纖維的微觀嵌合結(jié)構(gòu)，以及熔融后固化的高分子層在兩板界面處的化學(xué)黏附力作用?？偟膩?lái)說(shuō)，使用FSW及變種工藝連接金屬與CFRP的機(jī)理可概括為：機(jī)械嵌合和化學(xué)鍵連接。

通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有鋁鎂輕合金與CFRP連接接頭力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)混合連接方式的接頭強(qiáng)度最高，其次是機(jī)械緊固方式，而摩擦點(diǎn)焊由于形成宏觀Nub結(jié)構(gòu)，接頭強(qiáng)度也有顯著的提升。FLW通過(guò)一定的表面處理技術(shù)即可明顯提升接頭強(qiáng)度。基于以上研究現(xiàn)狀，未來(lái)在增強(qiáng)鋁鎂輕合金與CFRP連接接頭強(qiáng)度和連接技術(shù)改進(jìn)方面還需進(jìn)一步研究，具體可從以下方面入手：(1)根據(jù)現(xiàn)有研究，增加母材表面粗糙度以及與金屬板粘連的熔融高分子面積是提升強(qiáng)度的主要方法。因此，一方面可采取宏觀微觀相結(jié)合、熱加工與冷加工相結(jié)合的方式，增加母材板材的表面粗糙度，提升金屬板與CFRP的機(jī)械嵌合效果。而當(dāng)使用熱加工方式提升母材表面粗糙度時(shí)，要特別注意激光功率不宜過(guò)高，使得母材受熱而發(fā)生翹曲。另一方面可通過(guò)添加中間層樹(shù)脂基的方法，增加界面處與金屬粘連的熔融樹(shù)脂基的面積。(2)由于CFRP和輕合金理化性能的巨大差異，單一工藝往往無(wú)法有效連接，可開(kāi)發(fā)混合連接工藝和新型焊接技術(shù)，例如超聲波焊在焊接碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料時(shí)，由于不需添加金屬網(wǎng)加熱元件，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的一致性，提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，提升了焊接效率，成為最適合焊接CFRP的方法之一，其在連接輕合金和CFRP具有較好的發(fā)展前景。此外，如膠鉚焊、摩擦鉚焊、激光膠接等連接手段也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。(3)由于熔融高分子在界面處的流動(dòng)軌跡尚不明確，因此，可以采用數(shù)值模擬方法，預(yù)測(cè)接頭處的溫度分布、受力分布和熱量輸入，提出界面處熔融高分子的流動(dòng)模型，為進(jìn)一步優(yōu)化表面粗糙度工藝指明方向。