Cf-PA6復(fù)合材料與AA6061-T4鋁合金的硅烷處理及粘接技術(shù)研究.pdf

1、本課題作為鄭州大學(xué)-美國(guó)通用汽車公司聯(lián)合基金項(xiàng)目“Adhesive Bonding of Similar and Dissimilar Materials”的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，針對(duì)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料難于粘接的技術(shù)難題，以Cf/PA6復(fù)合材料為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究Cf/PA6復(fù)合材料與AA6061-T4鋁合金的硅烷處理技術(shù)、Cf/PA6復(fù)合材料與AA6061-T4鋁合金的同質(zhì)和異質(zhì)材料粘接技術(shù)。采用SEM和XPS技術(shù)分析了硅烷涂層的微觀組織

2、和成分。通過(guò)測(cè)量硅烷處理的單搭接粘接接頭在室溫、高溫(82℃)以及退化條件下的強(qiáng)度，分析了硅烷處理對(duì)接頭的室溫和高溫(82℃)強(qiáng)度的影響，以及硅烷處理對(duì)接頭在熱循環(huán)(82℃-室溫)和濕熱環(huán)境暴露（54℃熱水）條件下的持久性影響。取得如下研究成果：
　　體積分?jǐn)?shù)為6％的KH550和KH560硅烷溶液的電阻值均隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降并趨于平穩(wěn)。水解溫度越高，相同水解時(shí)間條件下的溶液電阻值越小。兩種硅烷的最佳水解溫度為70℃，最佳

3、水解時(shí)間為水解6min以上。當(dāng)KH550硅烷溶液的pH值為5，KH560硅烷溶液的pH值為6時(shí)，處理效果最佳。KH550/KH560硅烷處理后的Cf/PA6與AA6061-T4材料表面形成了結(jié)構(gòu)致密、厚度均勻的硅烷涂層，表面粗糙度降低，表面能下降。Cf/PA6與AA6061-T4的最佳硅烷處理時(shí)間分別為10min和2min。XPS分析表明，Cf/PA6表面硅烷涂層中存在有Si-N共價(jià)鍵和Si-O-Si共價(jià)鍵，AA6061-T4表面硅烷涂

4、層中存在Al-O-Si共價(jià)鍵和Si-O-Si共價(jià)鍵。砂紙打磨后進(jìn)行硅烷處理增加了Cf/PA6表面硅烷涂層中的N原子數(shù)量和Si-N共價(jià)鍵數(shù)目。
　　KH550和KH560硅烷處理均可以增加Cf/PA6-Cf/PA6和Cf/PA6-AA6061-T4粘接接頭的強(qiáng)度，但KH560硅烷處理對(duì)粘接性能的改善更有效。和未進(jìn)行硅烷處理的接頭相比，KH560硅烷處理后的 Cf/PA6-Cf/PA6粘接接頭和Cf/PA6-AA6061-T4粘接接頭

5、的強(qiáng)度分別提高了23%和21%。原因在于Cf/PA6和AA6061-T4表面涂層中形成的Si-N、Al-O-Si、Si-O-Si共價(jià)鍵不僅增加了硅烷涂層與粘接材料（Cf/PA6或AA6061-T4板材）表面的粘附力，同時(shí)增加了硅烷涂層與粘接劑之間的分子間相互作用，兩者均有利于粘接材料的粘接性能的改善。
　　砂紙打磨提升了KH560硅烷處理對(duì)Cf/PA6粘接性能的改善效果。僅進(jìn)行砂紙打磨就可以使Cf/PA6-Cf/PA6粘接接頭的強(qiáng)

6、度接近未打磨而進(jìn)行硅烷處理的粘接接頭強(qiáng)度（達(dá)到7.6MPa）；砂紙打磨后進(jìn)行KH560硅烷處理，Cf/PA6-Cf/PA6粘接接頭的強(qiáng)度達(dá)到了9.32MPa，Cf/PA6-AA6061-T4粘接接頭的強(qiáng)度達(dá)到了12.6MPa，與僅進(jìn)行無(wú)水乙醇清洗的粘接接頭相比，兩種接頭的強(qiáng)度分別提升了48%和34%。原因在于打磨處理增加了硅烷涂層中N元素的含量以及Si-N共價(jià)鍵的數(shù)量，從而使硅烷涂層與Cf/PA6表面的結(jié)合力增強(qiáng)。
　　盡管所有粘

7、接接頭的強(qiáng)度在82℃高溫、82℃高溫-室溫?zé)嵫h(huán)和54℃的水中熱暴露一周的條件下分別下降了23-29%、30%和50%，但硅烷處理改善了接頭的高溫性能，打磨處理后再進(jìn)行KH560硅烷處理具有最好的改善效果。打磨后進(jìn)行硅烷處理的Cf/PA6-Cf/PA6和Cf/PA6-AA6061-T4粘接接頭，在82℃條件下的接頭強(qiáng)度較未打磨的接頭強(qiáng)度分別提高了22-24%和21%；在82℃高溫-室溫?zé)嵫h(huán)后的室溫強(qiáng)度較未打磨的接頭強(qiáng)度分別提高了約47