劉煜純，趙洪運，周寶升，周利，王蘋，楊海峰，宋曉國

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室，威海 264209 3. 國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心，青島 266108

新材料作為“中國制造2025”的3大基礎(chǔ)要素之一，對實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和制造業(yè)強國的目標都具有十分重要意義。其中聚合物作為一種先進高分子材料，是支撐中國航天工業(yè)的重要配套材料，包括高分子基體及其纖維增強材料，相比于傳統(tǒng)金屬材料，聚合物材料具有相對密度低、熱膨脹系數(shù)小、比強度高、耐熱性好、比剛度高等優(yōu)勢，非常適合在較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用。如CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)具有高比強度和比模量，及優(yōu)異的減震性能及抗腐蝕能力，早在20世紀70年代就在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)已成功應(yīng)用于戰(zhàn)斗機或直升機機身、火箭發(fā)動機，航空精密支撐構(gòu)件，成為繼鋼、鋁合金、鈦合金之后的又一重要的先進航空結(jié)構(gòu)材料。在民用車輛領(lǐng)域，金屬/聚合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以很好地平衡性能與成本，對實現(xiàn)輕量化有重要意義。因此，如何實現(xiàn)金屬與聚合物的穩(wěn)定，高效連接成為了未來的研究熱點問題。但由于金屬和聚合物在分子結(jié)構(gòu)、材料性能等方面表現(xiàn)出很大差異，這對于二者的連接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。目前工業(yè)應(yīng)用的金屬/聚合物連接方式主要為膠接和機械連接，且工藝技術(shù)相對成熟，應(yīng)用廣泛，但這2種方法仍有進一步提升的空間。如膠接受環(huán)境溫濕度影響較大，固化時間較長，且需要一定的表面處理工序；機械連接常常需引入鉚釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)，一方面會增加結(jié)構(gòu)件重量，另一方面由于機械連接前需在板材內(nèi)部預(yù)制孔洞，會破壞纖維增強聚合物材料內(nèi)部纖維的連續(xù)性，連接處存在應(yīng)力集中等容易導(dǎo)致接頭失效的隱患。焊接技術(shù)是一種通過加熱、加壓或二者并用的方式使材料間達到分子或原子間連接的方法，常用于對鋁合金、鋼、鈦合金等金屬材料進行連接，包括激光焊、超聲波焊、攪拌摩擦焊等。其中，攪拌摩擦焊作為一種固相連接方法，具有焊接溫度低、焊后變形小、焊接效率高等優(yōu)勢，得到的焊接接頭性能良好，在金屬/聚合物結(jié)構(gòu)連接領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文主要圍繞金屬/聚合物連接的研究現(xiàn)狀、機理和難點進行綜述，分析了現(xiàn)有金屬/聚合物連接方法的優(yōu)劣勢，對提升金屬/聚合物連接強度的方法進行了討論，并對未來金屬/聚合物連接的研究思路進行了展望。

1 金屬/聚合物連接研究現(xiàn)狀

目前已有的金屬/聚合物連接方法主要包括：膠接、機械連接、激光焊、摩擦鉚接、單邊電阻焊、攪拌摩擦焊等連接方法。其中膠接和機械連接應(yīng)用較為廣泛且工藝較為成熟，激光焊、攪拌摩擦焊等焊接方法在工業(yè)應(yīng)用上仍處于探索階段。相比于激光焊、電弧焊等焊接方法，攪拌摩擦焊焊接溫度較低，且焊接過程中焊具對工件施加壓力，有利于界面的結(jié)合，因此有學(xué)者將攪拌摩擦焊的摩擦產(chǎn)熱原理應(yīng)用于鉚接，從而衍生出了摩擦鉚接、摩擦注射鉚接、摩擦自鉚接等適用于金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的新型連接方法。本節(jié)主要介紹膠接、機械連接、激光焊、以及基于摩擦連接技術(shù)的攪拌摩擦縫焊、攪拌摩擦點焊、摩擦鉚接、摩擦注射鉚接和摩擦自鉚接在金屬/聚合物結(jié)構(gòu)連接中的研究現(xiàn)狀，并對其連接機理和優(yōu)劣勢進行分析與總結(jié)，如表1所示，為工程應(yīng)用及未來研究方向提供一定的參考。

1.1 膠 接

膠接是采用膠粘劑作為中間層連接金屬與聚合物材料的連接方式，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。如：軌道車輛中的車輛玻璃、車窗、螺紋的防松等。實際生產(chǎn)過程中，先對聚合物與金屬板材進行一定的表面處理，之后采用膠粘劑對二者進行粘接，在一定溫度和壓力下進行保持固化一段時間，使膠粘劑達到最佳的粘接性能。目前對于金屬/聚合物膠接體系的研究成果主要集中在膠粘劑組分、失效機制以及影響膠接接頭強度的因素等方面。對于膠粘劑組分的研究，目前已有學(xué)者通過改變膠粘劑組分成功制備出適合不同材料的膠接接頭，并應(yīng)用于金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接。Heide-J?rgensen等采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法在不銹鋼表面枝接聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(Polyglycidyl Methacrylate，PGMA)，并隨后通過過氧化苯甲酰(Benzoyl Peroxide，BPO)處理，實現(xiàn)了不銹鋼與橡膠基體的粘接。Aliakbari等采用橡膠粉末、納米粘土和酚醛樹脂對環(huán)氧膠粘劑進行了改進。另外，隨著中國環(huán)保法規(guī)嚴格度的提升，膠粘劑向著環(huán)境友好的方向發(fā)展已成為不可避免的趨勢。李健等對橡膠-金屬膠粘劑的研究現(xiàn)狀進行了綜述，提出水基型、無溶劑型和偶聯(lián)劑型等環(huán)境友好型膠粘劑有望取代傳統(tǒng)高污染膠粘劑，在未來具有很大的應(yīng)用前景。

表1 各連接方法機理及優(yōu)缺點總結(jié)Table 1 Summary of mechanism, advantages and disadvantages of each joining method

影響膠接接頭強度的因素有很多。首先，膠接接頭的結(jié)構(gòu)、膠層的厚度、膠層在板間的鋪展情況等均會影響膠接接頭的力學(xué)性能。Kaiser和Tan提出在接頭高應(yīng)力區(qū)采用倒角的幾何形狀可以有效提升接頭強度，如圖1所示。并且采用塑-韌混合膠粘劑可以將接頭強度提升81.6%。界面性質(zhì)也是影響膠接接頭強度的重要因素，表面改性處理是提升金屬/聚合物膠接接頭強度的一項重要方法。常見的物理改性方法有噴砂、磨蝕、溶劑清洗等；化學(xué)改性方法包括溶液刻蝕、陽極氧化、等離子體處理、硅烷偶聯(lián)劑處理等，化學(xué)改性可使金屬表面與聚合物成鍵，從而有利于提升膠接強度。對于聚合物表面處理可增加其親水性及官能團，為高強度連接作準備。目前，采用等離子處理工藝已成功將聚醚醚酮(Polyether-ether-ketone，PEEK)、聚酯、聚乙烯、聚乳酸、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、聚酰胺等聚合物改性為親水性表面以提高其附著力。最后，金屬基體與聚合物的物理性質(zhì)的差異也會導(dǎo)致引起界面處的應(yīng)力集中，如在100～300 ℃橡膠與鋼的熱膨脹系數(shù)相差達到一個數(shù)量級，從而冷卻后引起界面應(yīng)力，縮短產(chǎn)品的使用壽命甚至造成災(zāi)難性失效。

圖1 有倒角和無倒角下膠層的載荷傳遞、最大應(yīng)力位置和剪應(yīng)力分布情況[8]Fig.1 Load transfer, maximum stress position and shear stress distribution in rubber layer with and without chamfering[8]

膠接具有很多優(yōu)勢：首先，膠接的適用范圍廣，通過設(shè)計膠粘劑組分可以實現(xiàn)大部分金屬與聚合物材料的連接，且不受材料壁厚的限制；其次，與機械連接等方法相比，膠接接頭不需要鉆孔，應(yīng)力集中小，應(yīng)力可以均勻分布在整個膠接面上。最后，由于不引入其他緊固件，膠接接頭質(zhì)量更輕，符合輕量化的連接要求。但膠接技術(shù)本身也存在很多缺陷，主要體現(xiàn)在以下方面：① 膠粘劑受環(huán)境條件影響大，長時間暴露在空氣、潮濕、腐蝕性氣體及極端溫度的環(huán)境下容易導(dǎo)致膠接接頭老化失效；② 膠接固化時間長，一定程度上無法滿足工業(yè)生產(chǎn)追求的高質(zhì)量高效率的要求；③ 在車輛生產(chǎn)的工藝流程中，膠接接頭能否抵抗后續(xù)車身涂裝工藝過程中的化學(xué)和熱環(huán)境侵蝕也是一個需要考量的問題。

1.2 機械連接

圖2 鋁-CFRP螺栓連接接頭疲勞破壞模式圖[58]Fig.2 Fatigue failure pattern of aluminum-CFRP bolted joints[58]

機械連接是金屬/聚合物結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用較為廣泛的一種連接方法，主要包括螺栓連接與鉚接2種形式。其中螺栓連接具有適用范圍廣、易拆卸、傳遞載荷大等優(yōu)勢，在航空航天領(lǐng)域中特別是需承受重載的結(jié)構(gòu)上應(yīng)用十分廣泛。目前對于螺栓連接的研究成果主要在于對螺栓連接的失效模式的預(yù)測與評估，通過建立不同的模型，對栓接接頭在雙軸變幅加載、不同溫濕度等條件下的失效情況進行探究。Shan等對于高載荷下的金屬-CFRP螺栓連接接頭分別用漸進疲勞損傷模型和名義應(yīng)力法對疲勞失效模式進行了預(yù)測，結(jié)果顯示高載荷下失效發(fā)生在CFRP板中，低載荷下失效位置在鋁合金板中，并建立了接頭疲勞破壞模式圖，為鋁-CFRP螺栓連接接頭設(shè)計提供了理論依據(jù)，如圖2所示。螺栓連接本身存在很多缺陷，如：對板材鉆孔過程破壞了纖維的連續(xù)性，降低了纖維的承載能力；在螺栓連接處易引起應(yīng)力集中，造成損傷(如脫層、纖維拉出、微屈曲等)。在外界復(fù)雜的溫、濕環(huán)境下，螺釘與金屬/聚合物之間會導(dǎo)致縫隙腐蝕的產(chǎn)生，引發(fā)安全隱患。而且緊固件增加了結(jié)構(gòu)的重量，不利于實現(xiàn)輕量化的目標。以上這些因素限制了螺栓連接在航天領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

鉚接相比于螺栓連接更容易實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，連接效率高，在最新的空客350客機上，鉚接依舊是一項重要的連接工序。但鉚接工藝相對比較復(fù)雜，且常規(guī)鉚接不適用于復(fù)合材料，因為鉚接過程中過大的載荷容易破壞鉚釘周圍的復(fù)合材料基體。為此，逐步衍生出了自沖鉚接(Self-Piercing Riveting，SPR)、電磁鉚接、摩擦鉚接、摩擦注射鉚接等新型鉚接方法以替代傳統(tǒng)鉚接技術(shù)。其中，自沖鉚的沖壓能較大，且連接過程中復(fù)合材料很少表現(xiàn)出塑性，自沖鉚時的沖壓能不能被塑性變形完全吸收，可能會導(dǎo)致復(fù)合材料基體和纖維的損傷、分層和開裂。而電磁鉚接利用大渦流磁場下產(chǎn)生的磁力對鉚釘進行沖壓實現(xiàn)鉚接過程，相比于傳統(tǒng)鉚接方法對復(fù)合材料損傷較小，具有一定的應(yīng)用價值，但本質(zhì)上仍需對板材進行打孔，破壞了聚合物纖維的連續(xù)性。摩擦鉚接和摩擦注射鉚接是2種相對比較適合于連接金屬/聚合物的鉚接方法，采用摩擦熱與壓力相結(jié)合的方式使2種材料形成互鎖結(jié)構(gòu)，其中的摩擦產(chǎn)熱過程降低了熱塑性樹脂材料的變形阻力，一定程度上避免了復(fù)合材料基體的斷裂以及內(nèi)部纖維的破壞，具有很廣泛應(yīng)用前景。

1.3 激光焊

激光焊是利用聚焦激光的能量對焊件進行加熱連接的方法，對于金屬材料，激光光子與金屬晶格中的電子發(fā)生非彈性碰撞，使材料溫度升高，金屬材料蒸發(fā)形成的壁聚焦效應(yīng)進一步加熱工件使能量達到孔底，焊后凝固形成焊縫。對于聚合物一側(cè)，激光的能量被試件表面透射或吸收，吸收或透過的效率與激光的波長有關(guān)。航天領(lǐng)域應(yīng)用的激光焊方法包括大功率光纖激光焊、激光-電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊、激光熔釬焊等方法。由于聚合物和金屬的物化性能差異較大，因此所采用的激光功率、波長、以及掃描速度等焊接參數(shù)均需要進行考慮。張勝玉認為，影響塑料激光焊接性的主要因素是塑料對激光的透射率，填充物、增強體以及某些模塑缺陷和表面精整均可以降低塑料透射率。同時，激光能量、離焦量、掃描速度等工藝參數(shù)也會影響激光焊接的連接效果。工程上既要保證材料在相應(yīng)參數(shù)下達到所需溫度，同時，溫度也不宜過高，以至由于金屬與聚合物之間熱膨脹系數(shù)的差異，造成聚合物降解、熱收縮、高殘余應(yīng)力等不利影響，而且浪費能源。Hussein等通過建立溫度場預(yù)測模型，闡明了樹脂熔體溫度范圍與樹脂粘結(jié)寬度之間的關(guān)系，對激光焊金屬/聚合物具有理論指導(dǎo)的意義。Tao等對(SCF/PPS)與鈦合金進行了激光焊接，結(jié)果顯示隨著激光功率的增加，試樣的拉伸剪切載荷先增大后減小;當激光功率在700～900 W的范圍內(nèi)時，可以得到合適的接頭。Su等研究發(fā)現(xiàn)離焦距離可改變激光束直徑影響界面溫度分布。隨著激光束直徑的增大，熔融樹脂的鍵合區(qū)寬度也隨之增大。

激光焊具有能量密度高、熔深大、速度快、熱量精確可控，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。但激光焊連接金屬聚合物時界面位置會產(chǎn)生氣泡，這是由于聚合物的熱降解及空氣的混入而產(chǎn)生的不可避免的現(xiàn)象，金屬塑料激光透射連接示意圖，如圖3所示。日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)Miyashita等研究認為合適的氣泡尺寸可產(chǎn)生高壓加強不銹鋼與熔融塑料的緊密結(jié)合程度。實際生產(chǎn)過程中，一方面需要調(diào)整焊接參數(shù)得到合理的氣泡尺寸，另一方面可以通過表面激光毛化或超聲振動等方式抑制氣孔的產(chǎn)生，從而促進金屬與塑料的化學(xué)結(jié)合，增加接頭強度。為激光焊應(yīng)用于金屬/聚合物結(jié)構(gòu)焊接實際應(yīng)用提供了參考。

圖3 金屬/塑料激光透射連接示意圖[20]Fig.3 Schematic diagram of metal/plastic laser transmission joining[20]

1.4 摩擦連接

由于傳統(tǒng)焊接溫度較高，聚合物的熔點遠低于金屬材料，在焊接時不可避免會發(fā)生熱降解。而固相焊接技術(shù)由于焊接時溫度較低，對聚合物熱損傷較小，在金屬/聚合物焊接領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。并以攪拌摩擦焊的摩擦產(chǎn)熱原理為基礎(chǔ)，逐步衍生出了摩擦鉚接、摩擦注射鉚接、摩擦自鉚接等新型連接方法，在金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.4.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是英國TWI(The Welding Institute)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，由于其成本低、焊后變形小、焊接效率高等優(yōu)勢，最初應(yīng)用于鋁合金的焊接，近年來，不少學(xué)者采用攪拌摩擦焊的方法對金屬和聚合物進行了焊接研究。其中攪拌摩擦焊包括攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦點焊2種形式。

1) 攪拌摩擦縫焊

攪拌摩擦縫焊是十分常見的一種焊接形式，如圖4所示，金屬/聚合物攪拌摩擦焊接頭形式包括搭接、角接和對接，目前研究成果以搭接居多。其搭接焊焊接過程包括以下幾個步驟：① 攪拌頭旋轉(zhuǎn)與金屬表面摩擦產(chǎn)熱；② 焊具對工件施加軸向壓力，同時攪拌頭沿著搭接區(qū)域運動；③ 在軸肩摩擦熱和軸向壓力的共同作用下，材料發(fā)生軟化并發(fā)生塑性變形。以鋁合金板材在上為例，攪拌焊峰值溫度可以達到鋁合金熔點70%～90%，足以使板材發(fā)生塑性變形，由于聚合物熔點低于鋁合金，且熱導(dǎo)率低，在鋁合金與聚合物的界面處會形成熔化區(qū)域。在壓力的作用下，聚合物在鋁合金表面固結(jié)形成接頭。需要注意的是，當采用搭接接頭，攪拌頭不含攪拌針或焊接時針不旋轉(zhuǎn)時稱為摩擦搭接焊(Friction Lap Welding，F(xiàn)LW)，此時攪拌頭的主要作用是對金屬進行加熱和加壓而非使材料在攪拌針周圍流動。

圖4 鋁合金/CRRP接頭形式[22-23]Fig.4 Aluminum/CRRP joint form[22-23]

攪拌摩擦焊的焊具設(shè)計對材料流動和焊接溫度有著重要影響，攪拌頭通常包括攪拌針和軸肩部分。實際焊接過程中，軸肩產(chǎn)熱相對較多，可以達到總產(chǎn)熱的75%，軸肩直徑也相對較大。攪拌針部分主要負責促進材料的塑性流動。但當聚合物在上，金屬板材在下時，由于聚合物熱導(dǎo)率較低，軸肩摩擦產(chǎn)生的熱量會集中在聚合物表面而難以作用到界面處，此時界面處的產(chǎn)熱主要由攪拌針負責。目前已有學(xué)者探究了攪拌針形貌對接頭界面處產(chǎn)熱的影響。Panneerselvam和Lenin探究了攪拌摩擦焊焊接聚丙烯時攪拌針形貌對接頭成形的影響，發(fā)現(xiàn)錐形帶螺紋的攪拌針相比于光滑的攪拌針有利于形成高質(zhì)量接頭。Payganeh等對攪拌針設(shè)計了帶切邊螺紋結(jié)構(gòu)，研究認為該結(jié)構(gòu)增加了攪拌針與材料的接觸面積，增加了摩擦產(chǎn)熱，可以使材料混合更充分。同時測量發(fā)現(xiàn)，帶有方形切面的攪拌針每秒產(chǎn)生80 Hz脈沖，三角形切面攪拌針每秒產(chǎn)生60 Hz脈沖，錐形攪拌針和螺紋攪拌針沒有觀察到脈沖現(xiàn)象。

基于以上學(xué)者的研究，國內(nèi)的黃永憲等設(shè)計了動-靜雙軸肩攪拌摩擦焊焊具，對鋁合金與CFRP進行焊接，如圖5所示。攪拌針采用三銑面錐形螺紋的設(shè)計。三銑面錐形螺紋攪拌針每秒可增加對材料的脈沖，一方面有利于提高焊具對材料的熱輸入，另一方面，三銑面的設(shè)計增加了焊接過程中材料的流動，有利于促進金屬與聚合物的混合。

圖5 三銑面錐形帶螺紋攪拌頭[30]Fig.5 Cone threaded mixing head for three milling faces[30]

攪拌摩擦焊焊接金屬/聚合物的接頭失效模式包括界面斷裂與聚合物本身的斷裂失效。對于鋁合金與聚合物的接頭，在拉伸載荷下，大部分斷裂在界面處，少部分斷裂位置在聚合物自身，此時界面失效是主要的失效類型。隨著焊接速度的增加，抗拉載荷升高，到一定值后下降。研究普遍認為界面位置的機械互鎖作用及鋁合金與聚合物的粘連面積大小影響了接頭的拉伸強度。界面處變形產(chǎn)生的鋁錨結(jié)構(gòu)對宏觀機械互鎖效果有影響，同時熔融聚合物滲入到納米級的微孔中構(gòu)成微觀機械互鎖對接頭強度提升也有貢獻，如圖6所示。在對鋁合金與CFRP的接頭界面組織分區(qū)的研究中，大多學(xué)者通過對接頭橫截面的觀察，將接頭分為熱影響區(qū)(Heat Affected Zone，HAZ)、攪拌區(qū)(Stir Zone)和熱機影響區(qū)(Thermo-Mechanical Affected Zone，TMAZ)。Huang等研究發(fā)現(xiàn)，隨著焊具轉(zhuǎn)速增加，在SZ附近或TMAZ中可以觀察到鋁合金伸向CFRP一側(cè)的變形，研究認為是在螺紋的作用下，鋁變形深入接頭截面形成機械互鎖。這種結(jié)構(gòu)有利于增加金屬和CFRP之間的粘連面積，在實際焊接時十分常見。而鋁合金側(cè)的變形形狀大致可以分為波浪形、彎曲爪狀型以及錨狀等。

圖6 Al/SCF-PEEK攪拌摩擦焊接頭中的 微觀機械互鎖[25]Fig.6 Microscopic mechanical interlock in Al/SCF-PEEK friction stir welding joint[25]

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊在連接金屬與聚合物上具有很大的優(yōu)勢,連接過程中的熱力作用有助于宏觀機械互鎖結(jié)構(gòu)的形成，界面主要組織包括金屬顆粒與聚合物的混合體，但金屬與聚合物攪拌焊連接離工程應(yīng)用還有一定距離。

2) 攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Joining，F(xiàn)SpJ)是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上，新近研究開發(fā)的一種創(chuàng)新的焊接技術(shù)，隨后德國HZG研究中心開發(fā)了回填式攪拌摩擦點焊(Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW)工藝。由于其具有焊接過程迅速、焊件變形小、高效節(jié)能等優(yōu)勢，在金屬與聚合物焊接的領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

攪拌摩擦點焊的焊具結(jié)構(gòu)如圖7所示，分為夾緊環(huán)、攪拌套、攪拌針3個部分，三者彼此可以獨立運動。焊接時焊具下壓，攪拌針、攪拌套與工件表面摩擦產(chǎn)熱，使材料塑化。此時壓緊環(huán)壓緊待焊板材防止金屬材料流失。

圖7 攪拌摩擦點焊焊具[66]Fig.7 Friction stir spot welding tool[66]

FSpJ分為攪拌針插入和攪拌套插入2種模式：攪拌針扎入材料時攪拌套縮回；攪拌套下扎的同時攪拌針縮回。其焊接過程可以分為3個階段：以攪拌套插入方式為例，第1階段，焊具下移至工件表面，攪拌針和攪拌套同向旋轉(zhuǎn)在金屬板表面產(chǎn)熱，鋁合金在熱作用下達到塑性狀態(tài)，之后在軸向壓力的作用下，攪拌套下壓攪拌針提升，鋁合金軟化發(fā)生塑性變形；第2階段，攪拌針下壓攪拌套提升，將發(fā)生塑性變形的金屬和熔化的聚合物擠入空腔填充；第3階段，攪拌針和攪拌套同時提升回到預(yù)設(shè)位置，使接頭在壓力作用下冷卻固結(jié)，如圖8所示。

對于金屬與聚合物的焊接，由于二者熱膨脹系數(shù)相差較大，因此焊接時需要采用夾緊裝置固定接頭。對于纖維增強聚合物材料，為了不使焊具破壞增強纖維，攪拌頭一般僅僅作用于鋁合金內(nèi)部而不接觸聚合物界面。影響回填式攪拌摩擦點焊的工藝參數(shù)包括攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接壓力、下壓深度和焊接時間。Goushegir等采用實驗設(shè)計與方差分析結(jié)合的方式探究了焊接參數(shù)對接頭強度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對接頭強度影響最大的因素是轉(zhuǎn)速，其次為焊接壓力、下壓量和焊接時間。保證其他參數(shù)一定，增加轉(zhuǎn)速可明顯提高焊接熱輸入，增加粘連區(qū)域面積，從而提高剪切強度。各參數(shù)與接頭強度的關(guān)系如圖9所示。增加焊接壓力可以促進焊接過程中金屬和熔融CFRP的相互填充，增加微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)，提高接頭的連接強度。下壓深度主要影響宏觀機械互鎖的效果。焊接時間影響焊具對接頭的熱輸入，時間過長時，接頭力學(xué)性能下降，同時CFRP流動性增強，導(dǎo)致黏度下降易于流出接頭區(qū)域。通過合理搭配轉(zhuǎn)速與焊接壓力可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。

圖8 攪拌摩擦點焊連接過程不同步驟示意圖[67]Fig.8 Schematic of different steps for joining process [67]

圖9 連接參數(shù)與接頭強度的關(guān)系[68]Fig.9 Relation between joining parameters and joint strength[68]

金屬/聚合物的攪拌摩擦點焊的連接機理包括：宏觀機械互鎖結(jié)構(gòu)以及微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)。以鋁合金與碳纖維增強聚合物材料為例，通過觀察接頭的橫截面形貌可以發(fā)現(xiàn)，鋁合金發(fā)生主要變形，部分插入聚合物基體中。聚合物在攪拌頭的作用下填充進入金屬中心的空腔，形成宏觀互鎖結(jié)構(gòu)。Goushegir等研究了鋁合金與CFRP的攪拌摩擦焊接頭連接機理，發(fā)現(xiàn)接頭界面中存在2種微機械互鎖結(jié)構(gòu)：一種發(fā)生在鋁合金和聚合物基體之間，見圖10(a)。這種互鎖是由于熔融聚合物在焊具作用下被擠壓填充進入金屬表面的孔隙和裂縫中形成的。另一種發(fā)生在鋁合金和碳纖維之間，見圖10(b)。是當碳纖維由于聚合物基體熔融擠出導(dǎo)致裸露于鋁合金界面，在壓力作用下，塑性變形的鋁合金被壓入聚合物淺層內(nèi)部包裹碳纖維而形成，稱之為微機械互鎖。這種微機械互鎖是Al-CFRP摩擦點焊接頭中的典型微觀結(jié)構(gòu)，可以提升接頭的拉剪強度。

圖10 Al-CFRP摩擦點焊接頭微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.10 Microstructure characteristics of Al-CFRP friction spot welded joints

Goushegir等研究了鋁合金與CFRP接頭的失效機制，認為包括粘連失效和內(nèi)聚失效2種形式。粘連失效也稱之為界面失效，在拉剪載荷下，裂紋由接頭邊緣萌生，沿著該層與鋁或復(fù)合材料表面之間的界面平行于所施加的載荷方向的平面徑向傳播，延伸到達中心區(qū)時，路徑可由界面可以轉(zhuǎn)移聚合物中，延伸路徑的轉(zhuǎn)換取決于區(qū)域內(nèi)的空隙數(shù)量和分布，之后裂紋繼續(xù)擴展及傳播，如圖11所示。金屬和CFRP攪拌摩擦點焊接頭主要存在2種缺陷，一種是在接頭的固結(jié)過程中，由于熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致連接界面產(chǎn)生空隙，另一種是碳纖維與聚合物基體剝離。氣穴空隙的產(chǎn)生是由于在焊接過程的高溫下，由于熔融聚合物黏度較低，由于聚合物的熱降解或空氣流入熔融層，而凝固階段冷卻速度過快，空氣以氣泡的形式留在熔融層而形成氣穴。同時低黏度熔融聚合物在擠壓力的作用下由焊點中心向四周流動，進一步導(dǎo)致了空隙產(chǎn)生和剝離現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖11 裂紋擴展途徑[69-70]Fig.11 Crack propagation path[69-70]

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外針對金屬/聚合物回填式攪拌摩擦點焊的研究尚處于早期發(fā)展階段，針對組織演變及接頭連接機理的研究仍需深入。

1.4.2 摩擦/鉚接復(fù)合技術(shù)

由于聚合物與金屬材料之間存在較大的化學(xué)性質(zhì)差異，通過常規(guī)焊接技術(shù)所使用的加熱、加壓的方式使二者之間形成分子或原子間的鍵合十分困難。但考慮到熱塑性聚合物受熱后塑性流動性好，而金屬的熔點往往低于熱塑性材料的熱塑性流動的溫度，因此可將摩擦焊產(chǎn)熱與加壓的原理與鉚接技術(shù)相結(jié)合，通過聚合物材料的熱變形產(chǎn)生鉚接結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)聚合物與金屬材料之間的連接。摩擦/鉚接復(fù)合技術(shù)包括：摩擦鉚接、摩擦注射鉚接以及摩擦自鉚接等，在金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接中具有一定的應(yīng)用前景。

1) 摩擦鉚接

德國Helmholtz-Zentrum Geesthacht(HZG)最早發(fā)明了摩擦鉚接技術(shù)(Friction Riveting)，主要用于連接金屬-聚合物結(jié)構(gòu)，具有高速、節(jié)能的特點，發(fā)展?jié)摿薮?。摩擦鉚接的基本思路是通過加熱、加壓過程使聚合物達到塑性狀態(tài)，以減少鉚接過程造成的應(yīng)力損傷。摩擦鉚接的連接過程可分為摩擦產(chǎn)熱、下壓鍛造和冷卻成型3個步驟，如圖12所示。首先，圓柱狀鉚釘置于待連接板材上方，進行連接時，設(shè)備帶動鉚釘高速旋轉(zhuǎn)，鉚釘前端與板材表面摩擦產(chǎn)熱迅速增加，融化鉚釘尖端周圍的聚合物。鉚釘連續(xù)不斷地穿過金屬板。在下壓鍛造階段，由于聚合物材料導(dǎo)熱性較差，熱量在內(nèi)部發(fā)生聚集，在產(chǎn)熱與下扎壓力的共同作用下，鉚釘結(jié)構(gòu)發(fā)生塑化變形。此時轉(zhuǎn)速下降，靠軸向壓力使鉚釘尖端擴大。最后在保壓的條件下鉚釘留在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，冷卻固化形成接頭。

圖12 摩擦鉚接連接過程[43,71-73]Fig.12 Process of friction riveting joining[43,71-73]

摩擦鉚接技術(shù)首先在2024-T351鋁合金/聚醚酰亞胺(PEI)、2024-T351鋁合金/聚碳酸酯(PC)以及6066-T6/聚酰胺6(Polyamide，PA6)的連接上得到了應(yīng)用，結(jié)果表明接頭具有較好的抗拉強度，最高可達540±182 N，說明摩擦鉚接適用于金屬/聚合物的連接。由于較高的溫度可使聚合物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變及熱降解，因此對于摩擦鉚接過程中接頭溫度的監(jiān)控對于實際工程應(yīng)用具有很多指導(dǎo)意義。Filho等采用紅外熱成像法及熱電偶對摩擦鉚接過程溫度進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為21 000 r/min、連接時間為3 s的工藝條件下測量的平均峰值溫度范圍為300～500 ℃，如圖13所示。其中采用熱電偶測得鉚釘中心處溫度約350 ℃，鉚釘外圍溫度30～65 ℃，采用紅外成像法測得毛邊表面溫度約為500 ℃。該溫度范圍低于鋁合金熔點及聚醚酰亞胺(Polyetherimide，PEI)降解溫度，但足夠使鋁合金晶粒發(fā)生改變及聚合物發(fā)生大分子變化。摩擦鉚接時，鉚釘轉(zhuǎn)速是連接效果較為重要的參量。Bruno等研究了鉚釘轉(zhuǎn)速對接頭錨固和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加接頭抗拉載荷增加，在摩擦階段產(chǎn)生的熱量對鉚釘?shù)乃苄宰冃尉哂兄匾挠绊憽＾D(zhuǎn)速不同，鉚接接頭的橫截面有明顯變化，隨轉(zhuǎn)速增加，鉚釘?shù)淖冃螌挾蕊@著增加而扎入深度變化不明顯。

圖13 摩擦鉚接接頭的平均峰值溫度[71]Fig.13 Average peak temperature of friction riveted joints[71]

摩擦鉚接具有很多優(yōu)勢：無需表面處理，簡化了操作步驟，無需對齊，不需要預(yù)制孔洞，避免了由通孔帶來的應(yīng)力集中問題，并且該技術(shù)可用于連接多層材料，形成“金屬-聚合物三明治結(jié)構(gòu)”如圖14所示。

圖14 金屬-聚合物三明治結(jié)構(gòu)[71]Fig.14 Metal-polymer sandwich structure[71]

但摩擦鉚接也存在很多缺點。Galińska和Galiński總結(jié)認為：首先，由于該方法需要聚合物基體熔化，因此不適用于熱固性聚合物；其次，由于增強纖維和聚合物基體的導(dǎo)熱系數(shù)都較低，聚合物基體有發(fā)生熱降解的可能性；第三，接頭連接后無法拆卸，并且接頭形式只存在點連接一種形式；第四，如果用鋁合金或鋼制的鉚釘與碳纖維復(fù)合材料一起使用，則在這種連接方法中可能會發(fā)生界面腐蝕。這些問題使得摩擦鉚接的應(yīng)用受到了一定的限制。

2) 摩擦注射鉚接

摩擦注射鉚接是一種新型的金屬和聚合物的連接技術(shù),相較于傳統(tǒng)的鉚接，摩擦注射鉚接不需要鉚釘，特別是對一邊材料塑性要求低，可適用于所有聚合物材料。相對于傳統(tǒng)的以電為能源的注射鉚接，采用摩擦產(chǎn)熱更為迅速、節(jié)能、高效。摩擦注射鉚接采用鋁合金預(yù)制通孔，與聚合物板上凸起的螺柱相匹配的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鉚接相比殘余應(yīng)力更小。連接工具采用圓柱形攪拌頭和圓錐形攪拌針搭配高轉(zhuǎn)速摩擦焊機。其中，圓錐形攪拌針用于摩擦產(chǎn)熱使聚合物上的螺柱結(jié)構(gòu)發(fā)生熱變形。圓錐形攪拌針具有3點優(yōu)勢：① 可以制造空心螺柱，使連接面積更大；② 與平面攪拌針相比，螺柱上的熱量分布更均勻且熱循環(huán)較短；③ 螺柱結(jié)構(gòu)具有較強的推擠力，可促進材料流動，更好地填充通孔內(nèi)的空隙。

摩擦注射鉚接過程與摩擦鉚接相似，如圖15所示，可分為2個階段，首先是摩擦階段，在保證聚合物螺柱對齊插入鋁合金通孔的前提下，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與聚合物凸起的螺柱表面接觸使之軟化，下壓過程結(jié)束后攪拌頭仍保持旋轉(zhuǎn)對接頭部分產(chǎn)熱。固結(jié)階段，攪拌頭停止旋轉(zhuǎn)，在軸向壓力的作用下使金屬和聚合物板材固化形成接頭。

以上研究可以發(fā)現(xiàn)，摩擦焊的產(chǎn)熱原理在異種材料連接時具有一定的優(yōu)勢，通過與傳統(tǒng)機械連接技術(shù)的結(jié)合，在金屬/聚合物連接方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖15 摩擦注射鉚接連接過程[44,76]Fig. 15 Process of friction injection riveting[44,76]

3) 摩擦自鉚接

摩擦自鉚接是近年來新提出的一種基于摩擦焊原理的金屬/聚合物結(jié)構(gòu)連接方法，利用了熱塑性聚合物熱變形溫度低于鋁合金的特點。一般是將鋁合金作為上板與焊具直接接觸，且在靠近焊縫的兩側(cè)沿焊接方向預(yù)制等間距通孔結(jié)構(gòu)。焊接過程中焊具高速旋轉(zhuǎn)與鋁合金表面摩擦產(chǎn)熱，通過鋁合金的熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到聚合物材料中。由于一般情況下聚合物熱導(dǎo)率低于鋁合金板材，熱量在聚合物基體發(fā)生聚集，使之發(fā)生熱塑性變形產(chǎn)生流動，聚合物材料在焊具壓力的作用下被從鋁合金板材孔洞中反向擠出，冷卻后留在孔洞結(jié)構(gòu)中形成鉚接接頭。顯然，該方法只適用于熱塑性聚合物。但相比于傳統(tǒng)的鉚接方法，該方法采用在鋁合金板材布置通孔的方法，避免了對聚合物材料內(nèi)部纖維的損傷。且連接過程中無需鉚釘，避免了結(jié)構(gòu)的增重，符合“輕量化”的結(jié)構(gòu)需求。

Buffa等采用摩擦自鉚接的方法對AA6082-T6鋁合金和自增強聚丙烯進行了連接，測試了接頭的拉剪性能，并采用數(shù)值模擬的方法分析了接頭的應(yīng)力應(yīng)變分布。結(jié)果表明，焊具的垂直力、焊具直徑、旋轉(zhuǎn)和進給率均會影響復(fù)合材料的流動性能，實際連接時應(yīng)合理選擇，以使焊具產(chǎn)生合適的熱量，使復(fù)合材料不致熔化，但同時使其軟化，從而實現(xiàn)反向擠壓使聚合物填充通孔。Meng等采用摩擦自鉚接方法對玻纖增強PPS聚合物與AA2060-T8鋁合金進行了連接，并在焊前采用等離子體電解氧化的方法在鋁合金表面制備出了一層多孔氧化膜以提高界面的微觀機械互鎖，從而提高了接頭強度。實驗結(jié)果顯示，隨著聚合物鉚釘尺寸的增加，接頭拉剪強度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，接頭的最大抗拉剪切強度達27 MPa，接頭出現(xiàn)了在復(fù)合材料/金屬界面、復(fù)合材料鉚釘及纖維混合區(qū)域的3種斷裂形式。

除搭接縫焊，摩擦自鉚接也能夠應(yīng)用于攪拌摩擦點焊的形式。具體的焊接過程與搭接縫焊相似，也采用鋁合金板在上，聚合物材料在下的形式，實際連接前在鋁合金板的點焊位置預(yù)制通孔或螺紋孔結(jié)構(gòu)，在焊具的熱、壓力作用下，熱塑性聚合物材料被擠入孔中形成鉚釘接頭。

Paidar等對AA2219鋁合金與PP-C30S聚合物進行了預(yù)制孔攪拌摩擦點焊連接，試驗結(jié)果表明隨著焊具轉(zhuǎn)速的增加，AA2219/PPC30S接頭的反應(yīng)層厚度、剪切拉伸載荷均會增加。轉(zhuǎn)速的提高降低了未填充區(qū)體積，但促進了界面裂紋的形成。

通過以上研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，摩擦自鉚接是一種通過攪拌摩擦過程的熱壓作用使熱塑性聚合物填充鋁合金板孔洞形成鉚釘?shù)姆椒?，連接后使聚合物與金屬之間形成了機械互鎖結(jié)構(gòu)，接頭強度提升明顯，是一種十分具有潛力的連接方法。

1.5 其他連接方法

除了以上的連接方法，金屬/聚合物的機械連接還包括無釘自沖鉚、金屬銷連接、Ti環(huán)連接等方法。它們各有其適用范圍及優(yōu)勢：無釘自沖鉚適用于碳纖增強聚合物及延性金屬材料，在汽車工業(yè)上應(yīng)用廣泛，該方法不需要預(yù)制孔及表面處理的工序，連接過程高效，成本低，是一種輕量化連接工藝。但該方法對材料種類有限制，只適用于具有較好的塑性形變的金屬材料。金屬銷連接預(yù)先在金屬板上設(shè)置一系列突出垂直的“針”，這些“針”在熱壓作用下垂直插入聚合物板，冷卻固化形成接頭，如圖16所示。這種連接方法的優(yōu)勢在于對聚合物板材的增強纖維破壞較小，有助于實現(xiàn)良好的接頭性能。但該方法的缺陷也很明顯：在金屬板上布置針腳的過程時間較長，成本較高，接頭不可拆卸且容易造成電偶腐蝕。

圖16 金屬銷連接法示意圖[13]Fig.16 Schematic diagram of metal pin joining method[13]

Ti環(huán)連接是德國研究基金會資助的“Schwarz-Silber”研究小組提出的一套將碳纖維增強復(fù)合材料與鋁合金結(jié)合的新想法，主要目的是通過用鈦制成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)將碳纖維連接到鋁合金基體上，鈦作為過渡金屬可以有效減少鋁、碳之間的電勢差，以減少或避免鋁與碳纖維之間的電偶腐蝕。但該方法連接過程繁瑣，仍需要進一步研究與優(yōu)化。

2 金屬/聚合物連接機理

從目前的研究現(xiàn)狀來看，金屬、聚合物在分子結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)的差異，使得二者之間難以實現(xiàn)穩(wěn)定，高強度的結(jié)合。從原子結(jié)合的角度看，金屬材料內(nèi)部由金屬鍵構(gòu)成晶格，本質(zhì)是金屬離子之間的靜電引力；聚合物內(nèi)部為共價聯(lián)接，本質(zhì)是原子間通過共用電子對所形成的相互作用。成鍵類型的差異導(dǎo)致二者不易形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵連接和晶格結(jié)構(gòu)。從材料的物化性質(zhì)來看，熔點、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等的差異將不可避免的引起金屬/聚合物焊后界面殘余應(yīng)力，降低焊點連接強度和使用壽命。目前已經(jīng)有不少學(xué)者對金屬和聚合物的連接機理進行了探究和總結(jié)，由于連接方法的不同，涉及的材料結(jié)合機制也有所差異，概括起來主要包括以下幾種情況。

2.1 宏觀機械互鎖

宏觀的機械互鎖是目前應(yīng)用較為廣泛的一種互鎖機理，能夠為金屬/聚合物接頭提供較高的連接強度。在實際生產(chǎn)過程中的宏觀機械互鎖包括2種情況：一是只采用外加連接件進行機械緊固的方式，如螺栓連接、鉚接等。形成這類互鎖結(jié)構(gòu)需要提前在板材上預(yù)制沉孔等結(jié)構(gòu)，通過螺釘、鉚釘?shù)葘?種板材進行緊固，作用原理為機械鎖合。接頭在承受外力時，由連接件承擔大部分載荷。由于不引入加熱過程，金屬、聚合物母材沒有發(fā)生粘連或改性，能夠最大程度保留材料原有的性質(zhì)。第2種情況是在熱力作用下，由聚合物或金屬產(chǎn)生形變(大部分情況下為聚合物)，填充另一基體的結(jié)構(gòu)，從而自發(fā)形成宏觀互鎖結(jié)構(gòu)的一種方式，比較典型的是摩擦鉚接。該方法是在攪拌摩擦焊的熱作用和機械壓力的共同作用下，通過聚合物的變形，冷卻凝固后形成聚合物與金屬的互鎖結(jié)構(gòu)。同時熱塑性樹脂受熱流動，與金屬材料發(fā)生了粘連。盡管聚合物與金屬材料的粘結(jié)力也為接頭提供了一定的強度，但接頭整體強度主要由互鎖結(jié)構(gòu)的幾何形狀、面積、錨固率以及聚合物部分變形或破壞所需要的能量決定。

2.2 微觀機械互鎖

微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)是另一種提升金屬/聚合物接頭力學(xué)性能的重要因素，相比于宏觀機械互鎖，微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在2種材料的界面位置，接頭橫截面觀察可發(fā)現(xiàn)連續(xù)的微納尺度的齒形結(jié)合，如圖17所示。微觀機械互鎖一般可通過預(yù)先對金屬或聚合物進行表面的處理方式得到，如：打磨、噴砂、激光毛化、化學(xué)溶液刻蝕等。微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)的強度由互鎖結(jié)構(gòu)的數(shù)量、深度、幾何形狀決定。在注射成型的連接方法中，聚合物的性質(zhì)與金屬板材的溫度也會影響聚合物向金屬板材上微納結(jié)構(gòu)的流動滲透,當聚合物凝固過快時將影響微觀互鎖結(jié)構(gòu)的完整性。但通常情況下,由于工程應(yīng)用上需承受復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，僅采用微觀機械互鎖模式形成的接頭強度難以滿足要求，常常采用化學(xué)鍵連接與機械互鎖連接結(jié)合的模式。如膠接即是一種涉及化學(xué)鍵合與微觀機械互鎖同時作用下的連接方法，接頭具有較好的力學(xué)性能。

圖17 界面微觀機械互鎖結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.17 Schematic diagram of interface micro-mechanical interlock structure[4]

2.3 化學(xué)鍵合

化學(xué)鍵合常見于金屬/聚合物的膠接接頭及一些焊接接頭中。由于金屬與高分子基體直接成鍵較為困難，常見的方法是引入另一種物質(zhì)作為中間層，中間層作為橋梁對金屬和聚合物基體進行連接，使其分別與兩側(cè)材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，如圖18所示。膠接便是采用膠粘劑作為橋梁，在一定條件下流動填充金屬材料的孔隙或裂縫。化學(xué)鍵結(jié)合理論認為，膠接情況下內(nèi)側(cè)膠層與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),外側(cè)膠層與復(fù)合材料反應(yīng)，從而形成分子鍵，實現(xiàn)聚合物和金屬較高強度的連接。

圖18 界面化學(xué)鍵合示意圖[50]Fig.18 Schematic diagram of interfacial chemical bonding[50]

圖19 硅烷偶聯(lián)劑化學(xué)鍵合理論模型[85]Fig.19 Theoretical model of chemical bonding of silane coupling agent[85]

2.4 界面潤濕和吸附

由于分子之間存在短程的范德瓦爾斯力，對于處于兩相之間的分子來說，由于兩相間的分子范德瓦爾斯力不平衡，導(dǎo)致界面處的分子受到一個指向一側(cè)內(nèi)部的引力，也就是所謂表面張力。潤濕作用涉及固、液、氣三相界面，液體對固體的潤濕效果由潤濕角體現(xiàn)，其大小取決于三相之間的界面張力，如圖20所示，具體計算方法則由Young方程決定。

(1)

式中：為固-氣之間的表面張力；為固-液之間的表面張力；為液-氣之間的表面張力。在0°～180°的區(qū)間內(nèi)，角越小，潤濕性越好，通常認為，0°<<90°時液體可潤濕固體表面。物質(zhì)本性、相界面性質(zhì)、溫度、壓力均會影響表面張力的大小，從而進一步影響界面的潤濕效果。

圖20 潤濕角計算示意圖Fig.20 Calculation of wetting angle

在金屬/聚合物的焊接過程中，熱塑材料受熱發(fā)生塑性變形，在熱、壓力的共同作用下在金屬基體表面發(fā)生鋪展與向微觀組織的滲透，鋪展和滲透的效果與聚合物在金屬表面的潤濕性密切相關(guān)。聚合物材料的性質(zhì)、金屬表面的粗糙度、界面能、化學(xué)成分等均對連接強度有很大的影響。一般可通過表面改性增加金屬表面的粗糙度、改變表面化學(xué)成分，增加潤濕性，以便于聚合物與金屬發(fā)生粘接。但實際界面潤濕與吸附作用對提升金屬/聚合物接頭連接強度的作用十分有限，無法達到實際工程應(yīng)用的要求。大部分金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)界面強度仍主要依賴于界面的互鎖結(jié)構(gòu)與分子鍵合。

2.5 其他連接機理

除了以上幾種連接機理外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了一些其他連接機理，如雙電層連接理論、界面擴散理論等。雙電層連接理論認為在膠接體系中，由于界面間電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致界面處呈現(xiàn)一側(cè)為正電荷界面層，一側(cè)為負電荷界面層，在正負電荷靜電引力作用下產(chǎn)生的吸引力。但該引力強度對膠接體系強度的提升作用較小，認為界面處金屬材料與高分子發(fā)生相互擴散，如圖21所示，但該理論僅適用于兩接觸面均為聚合物且具有能夠移動或纏繞形成分子連鎖的長鏈分子的情況。需要注意的是，實際應(yīng)用中，一種連接方法可涉及2種及以上連接機理，因此需要結(jié)合界面分析具體判斷。

圖21 界面擴散理論示意圖[50]Fig.21 Schematic diagram of interface diffusion theory[50]

3 結(jié)論與展望

本文對金屬/聚合物的連接技術(shù)進行了綜述，對金屬/聚合物的連接機理進行了分類總結(jié)，對目前已有的膠接、機械連接及焊接方法研究進展進行了綜述分析，總結(jié)如下：

1) 目前金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接方法中，膠接和機械連接應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)相對成熟，但仍有進一步提升的空間。而熔化焊方法由于熱輸入較大，可能導(dǎo)致聚合物發(fā)生熱降解產(chǎn)生氣泡等缺陷降低接頭性能。攪拌摩擦焊作為一種固相焊的連接方法，焊接溫度相對較低，且焊接過程中焊具對工件施加壓力可以使界面形成良好的結(jié)合，并且由于攪拌焊焊具的壓力作用，接頭部位往往產(chǎn)生宏觀或微觀的機械互鎖機構(gòu)，使得接頭具有較高的連接強度，在金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的焊接中具有一定的優(yōu)勢。尤其是摩擦鉚接、摩擦自鉚接等方法，結(jié)合了摩擦焊技術(shù)與鉚接技術(shù)的優(yōu)勢，在金屬/聚合物連接領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。盡管目前已有文獻證實了摩擦焊連接金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的可行性，但成品的力學(xué)性能與實際工程應(yīng)用仍有一定距離，相比于膠接和機械連接等較為成熟的工藝方法，基于摩擦焊的連接技術(shù)仍需要進一步的探索。

2) 基于摩擦焊的金屬/聚合物連接方法所涉及的連接機理主要包括：宏觀機械互鎖、微觀機械互鎖、分子鍵合。其中宏觀機械互鎖可以為金屬/聚合物接頭提供較高的力學(xué)性能；微觀機械互鎖對界面力學(xué)性能的提升有限，常常需要與化學(xué)鍵合共同配合以達到較高的連接強度。對金屬進行表面處理是提升金屬/聚合物接頭力學(xué)性能的一種有效方法，如打磨、噴砂、噴丸、激光毛化、陽極氧化等。在實際應(yīng)用時，應(yīng)考慮采用不同的表面處理方法，并配合界面化學(xué)成鍵以獲得較高質(zhì)量的金屬/聚合物接頭。

3) 對于未來金屬/聚合物連接的研究方向，可以從以下幾個方面進行研究和探索：① 探索適合不同聚合物材料的新型焊接連接方法，如電阻焊、超聲波焊、以及超聲輔助攪拌摩擦焊等，通過改變能量源的形式，提升金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接效果，從而適用于不同環(huán)境以及工況下對金屬/聚合物結(jié)構(gòu)焊接的需求。而且針對熱固性樹脂基復(fù)合材料，亟需探索合適的焊接方法，以實現(xiàn)其與金屬材料的焊接連接。② 通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)或采用表面改性技術(shù)的方法提升金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的連接強度，從目前的研究現(xiàn)狀來看，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)對強度提升的效果十分有限。因此探索合適的表面改性處理技術(shù)，采取不同的表面處理工藝，以增加接頭的微觀機械互鎖及化學(xué)鍵合，從而提升金屬/聚合物連接接頭的強度十分有必要。如采用激光毛化的方式對金屬表面進行預(yù)處理可以提升表面粗糙度，增加宏觀機械互鎖結(jié)構(gòu)，采用陽極氧化的方式可以使表面同時具有一定的粗糙度和氧化膜，有利于使金屬聚合物界面處形成分子鍵合。③ 通過數(shù)值模擬手段對焊接過程的應(yīng)力及溫度參數(shù)進行探究，金屬聚合物二者的理化性質(zhì)差異使得其焊接過程與傳統(tǒng)金屬材料的焊接有所不同。尤其是聚合物材料存在熱降解溫度，溫度過高可能導(dǎo)致材料發(fā)生熱燒損從而大大降低接頭的力學(xué)性能。因此，對金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的焊接過程進行數(shù)值模擬并為實際焊接連接過程提供理論依據(jù)十分有必要。