研究背景

由輕質(zhì)聚合物和高強(qiáng)度金屬組成的混合結(jié)構(gòu)，對(duì)于推動(dòng)航空航天、汽車制造和軌道交通等關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步至關(guān)重要，這與全球節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)高度契合。然而其核心挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)這兩種物理和化學(xué)性質(zhì)迥異材料間的持久可靠連接。傳統(tǒng)的連接方式，如膠接和機(jī)械緊固，存在諸多局限性。膠接易受環(huán)境因素影響而老化，可靠性有限。機(jī)械緊固則會(huì)引起應(yīng)力集中、增加額外重量，并可能破壞結(jié)構(gòu)的密封性，這些都可能影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期性能，并增加制造成本與工藝復(fù)雜性。

為了突破上述瓶頸，開發(fā)能夠制造高強(qiáng)度、輕量化、高性價(jià)比混合結(jié)構(gòu)的先進(jìn)連接技術(shù)已成為迫切的戰(zhàn)略需求。以摩擦搭接焊為代表的熱機(jī)械焊接技術(shù)，通過局部加熱和施加壓力，為實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料間的高質(zhì)量界面結(jié)合提供了極具前景的解決方案。但在焊接過程中，界面處氣泡和裂紋等缺陷的形成，仍然是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)障礙。因此，深入理解界面結(jié)合的內(nèi)在機(jī)理，并系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)連接質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)于充分發(fā)揮這類混合材料結(jié)構(gòu)的潛力、滿足現(xiàn)代工業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展要求，具有至關(guān)重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)上述問題，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技ZEM系列掃描電鏡進(jìn)行了深入研究，團(tuán)隊(duì)通過建立創(chuàng)新的“熱壓比”模型，精準(zhǔn)調(diào)控了鋁合金與PEEK摩擦搭接焊的界面反應(yīng)并成功消除焊接氣泡，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)95%基材強(qiáng)度的無缺陷連接。

標(biāo)題：Interfacial bubble formation and bonding mechanisms in aluminum alloy/polyetheretherketone (PEEK) friction lap welding

期刊：Thin-Walled Structures

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.114031

焊接缺陷的溯源與形貌表征

研究的首要挑戰(zhàn)在于解決鋁合金與PEEK這種異質(zhì)材料在摩擦焊接過程中普遍存在的界面氣泡和微裂紋等缺陷。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地調(diào)整了焊接轉(zhuǎn)速、速度和下壓深度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，并對(duì)不同參數(shù)下獲得的接頭進(jìn)行了細(xì)致的分析。為精確揭示這些微觀缺陷的形貌、尺寸與分布，研究人員利用澤攸科技ZEM系列掃描電子顯微鏡對(duì)焊縫的橫截面進(jìn)行了高倍率觀察。結(jié)果清晰地顯示，不當(dāng)?shù)臒崃枯斎霑?huì)導(dǎo)致PEEK材料熔融不均或過度降解，從而在界面處形成大小不一的氣泡，這些氣泡嚴(yán)重影響了界面的連續(xù)性和接頭的可靠性。

圖 不同焊接參數(shù)下的摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面

圖 在1200–800–1.2參數(shù)下制備的摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面形貌：(a) 氣泡 與 (b) 結(jié)合界面

圖  (a) 摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面示意圖，以及在1000–800–1.0參數(shù)下制備接頭的橫截面SEM圖像：(b) 工具作用區(qū)，(c) 工具作用區(qū)的高倍放大圖，(d) 工具影響區(qū)

“熱壓比”模型的建立與性能優(yōu)化

為從根本上控制并消除缺陷，團(tuán)隊(duì)并未停留在現(xiàn)象觀察，而是創(chuàng)新性地提出了一個(gè)量化模型——“熱壓比（U）”。該模型將熱量輸入（與轉(zhuǎn)速、焊接速度、下壓深度相關(guān)）與軸向壓力兩個(gè)核心物理量相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)無量綱參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，界面缺陷的形成與“熱壓比”存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)U值低于0.13時(shí)，氣泡主要源于PEEK的冷卻收縮，可通過增大壓力來抑制；當(dāng)U值高于0.13時(shí)，氣泡則由PEEK的熱分解產(chǎn)生，需要精細(xì)調(diào)控?zé)崃縼肀苊狻Ｍㄟ^該模型的指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成功找到了U=0.13這一最優(yōu)工藝窗口，實(shí)現(xiàn)了氣泡的完全消除，接頭的拉剪強(qiáng)度達(dá)到了1.76 kN，相當(dāng)于PEEK母材強(qiáng)度的95%。對(duì)最優(yōu)接頭斷裂后的形貌進(jìn)行的澤攸科技掃描電鏡分析進(jìn)一步證實(shí)，其斷裂模式已從脆弱的界面分離轉(zhuǎn)變?yōu)镻EEK材料內(nèi)部的韌性斷裂，這直觀地證明了界面結(jié)合的高質(zhì)量。

圖 氣泡面積與 (a) 熱壓比參數(shù) d(R/ν)?.?/P 和 (b) 拉剪強(qiáng)度 (TSF) 的關(guān)系

圖 在不同參數(shù)下制備的接頭工具作用區(qū)的橫截面SEM圖像

界面原子尺度鍵合機(jī)理的深度解析

在獲得無缺陷、高強(qiáng)度的接頭后，研究的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了更深層次的科學(xué)問題：鋁合金與PEEK之間究竟是如何實(shí)現(xiàn)如此牢固的結(jié)合？為了揭示原子尺度的連接機(jī)理，團(tuán)隊(duì)利用X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)對(duì)參數(shù)焊接后的界面進(jìn)行了化學(xué)成分分析。分析結(jié)果驚人地發(fā)現(xiàn)，界面處形成了兩種關(guān)鍵的化學(xué)鍵合：一是PEEK分子鏈上的羰基（-C=O-）與鋁合金表面的氧化鋁發(fā)生了反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的C-O-Al化學(xué)鍵；二是鋁合金表面的羥基（-OH）與PEEK中的醚鍵（R-O-R）之間形成了廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)現(xiàn)與通過澤攸科技掃描電鏡觀察到的兩種材料間緊密無縫的界面形貌高度吻合，證明了強(qiáng)大的化學(xué)鍵合與物理吸附共同作用，是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接的根本原因。

圖 (a) 在1200–800–1.0參數(shù)下制備的摩擦搭接焊接頭（FLW）的整體斷口形貌；5052Al鋁合金一側(cè)在 (b) 工具影響區(qū)和 (d–e) 工具作用區(qū)的斷口形貌；PEEK一側(cè)在 (c) 工具影響區(qū)和 (f) 工具作用區(qū)的斷口形貌

圖 (a) C1s和(b) O1s的XPS譜圖，采自1000–800–1.0參數(shù)焊接后的5052Al表面，以及 (c) 通過摩擦搭接焊（FLW）實(shí)現(xiàn)的5052Al/PEEK結(jié)合機(jī)理示意圖

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，能夠更廣泛地應(yīng)用于新材料研發(fā)、生命科學(xué)、失效分析、工業(yè)質(zhì)檢等多個(gè)領(lǐng)域，為廣大科研院所和企業(yè)用戶提供了一套兼具高性能與高性價(jià)比的強(qiáng)大微觀表征解決方案。