其中备受关注的是,在狭小的面积上也能获得很高的接合强度、在拉伸试验中从断裂的往往是树脂端材料(母材断裂)而不是接合面的技术。这种情况正好类似于用胶水或固体胶粘合纸张后无法撕开,如果硬撕的话,纸张就会被撕裂的现象。不过,粘合纸张时,必须相应地留出很大的部分来涂抹胶水,而近几年的接合技术却无需留出涂抹粘合剂的部分,而是将棒材的截面相互连接在一起,使其接合成一根。能够这样做的原因是,接合强度可以达到树脂的同等或以上水平。
由此,便可以把以前用树脂制造的部件的一部分换成金属,制造出只有该部分可以通电或者提高强度等高附加值部件。通俗一点来说,就是可以随意搭配性质不同的材料来制造部件。通过这样的部件,可以创造出多种价值,这就是最近的接合技术所具有的意义(图1)。
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| 图1:将树脂与金属的接合技术应用于飞机座椅的方案) |
这种接合树脂和金属的技术经常用到的术语是“锚固效应”(Anchor Effect)。顾名思义,这种效应是指像锚固定在海底一样,树脂进入金属端的微细凹槽内之后,便无法再移动,从而达到极强的接合强度。
在金属表面形成微细凹凸
接合树脂和金属时,经常会使用螺栓等紧固部件或者粘合剂。虽然近几年强力粘合剂不断被开发出来,可以确保很大的接合强度,但基本都需要设置用来穿过螺栓的法兰(向外伸出的部分),或者留出很大的面积来涂敷粘合剂。也就是说,要进行树脂和金属的接合,必须制成特殊的形状,因此要么很难实现小型化,要么外观形状不漂亮。而且遇到强大冲击时,接合处也经常会断开,很难获得与材料同等的强度。
可用来牢固接合树脂与金属的有几种技术,比如通过在金属表面设置细小的凹槽(微孔),并在此处注入树脂,来获得锚固效应(图2)。注入树脂时,可使用将金属部件放入模具并注射溶融树脂的嵌入成型技术。溶融树脂需要具备可随着细小凹凸流动的较高流动性。
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| 图2(a):用化学药品处理铜合金表面之后的样子(MEC) |
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| 图2(b):大成PLAS公司2000年代初期刚刚开发出该技术时的锚固效应显微镜图片 铝合金与PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)的接合界面(左)与接合后让铝合金部分熔化只留下PBT的状态(右)。 |
日本大成PLAS(总部:东京)于2000年代初期开发出了这项技术,通过利用药品对金属表面进行化学处理,来获得微孔。这种效果可通过增加工序来实现,比如用碱性液体清洗之后,再用酸中和,并将其浸入水合肼溶液。通过对液体的浓度、成分、浸泡时间及温度等条件进行细微调整,可以制造出尺寸与接合树脂相配的微孔。日本电路板厂商MEC也使通过采用药品的金属处理来接合树脂的技术实现了实用化。采用这些技术来接合铝合金和PPS(聚苯硫醚,Polyphenylene Sulfide)时,在拉伸试验中可以获得35M~45MPa的接合强度(相当于单位平方厘米400kg左右)。
有的企业使用其他方法在金属表面设置小孔。方法之一是使用激光。先细致地照射激光,使金属表面熔化之后,再切割出沟槽。有的企业还尝试进行了使用阳极氧化处理(耐酸铝处理,接合对象仅限于铝合金)。用酸在铝合金表面形成的氧化铝是具有很多小孔的多孔质膜。这种方法通过向微孔中注入树脂来获得锚固效应,但目前很少有企业开发这种技术。一家竞争公司指出,“接合强度取决于耐酸铝的强度”。
树脂之间的接合也利用锚固效应
关于除了树脂和金属之外还能接合异种树脂的技术,有一种方法是通过接合表面的微小凹坑来获得锚固效应的。那就是日本宝理塑料(Polyplastics,总部:东京)开发的技术,该技术设想用来接合玻璃纤维增强树脂基复合材料,一边用激光来熔化已成型树脂产品(称为一次材料)的表面,一边在上面切出微细沟槽。此时,利用激光中大量吸收树脂而很少吸收玻璃纤维的波长来调节强度,以保留沟槽中的玻璃增强纤维。状态类似于槽壁及底部长出了玻璃纤维,其中有的玻璃纤维在两端的沟槽壁之间搭起了“桥梁”(图3)。
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| 图3:用激光在玻璃金属增强树脂上切出的沟槽(左)与拉伸试验后断裂的样子(右)(宝理塑料) | |
把作为接合对象的树脂(称为二次材料)熔融之后注入此处,树脂就会与玻璃纤维缠绕并牢固接合在一起。熔融后的树脂会进入为沟槽搭建“桥梁”的玻璃纤维下面,并在“桥梁”的下面连接固定,这样就会变成二次材料锁住玻璃纤维的状态。
注射二次材料时,在一次材料端切出的沟槽会因为二次材料的流动而被破坏。这会使沟槽壁变成向外突出的状态,从而使锚固效应增强。而进入倾斜的沟槽壁下面的二次材料很难脱落,在拉伸试验中用显微镜观察遭到破坏的痕迹,发现脱落的是二次材料的位于沟槽上面的部分。
接合原理除了锚固效应之外,还有在相邻分子之间发挥作用的分子间引力,以及由分子与原子级共价键或金属键产生的作用力,在有些技术中,分子间引力等甚至比锚固效应起到的作用还要大。至于接合力是如何产生的,其过程一般很难看到,而且清楚地解释其中的原理又是普及接合技术不可缺少的要素,但锚固效应可以借助显微镜照片等根据截面形状间接地看到,因此算是一种比较容易理解的原理。












