汽车和航空工业为了节省成本常常需要设计轻质材料, 轻质材料往往需要将不同类型的材料组合起来, 而这会大大增加制造成本. 有最新工作表明利用激光技术会增加金属和塑料混合材料的粘合强度, 工程师通过用红外激光预处理铝板技术, 将塑料与铝粘合在了一起 . 他们在Journal of Laser Applications杂志上详细阐述了他们的工作. 以上是两张扫描图片, (a)是连续波激光器结构边缘处的铝芯片, (b)是在拉伸剪切试验后模塑聚合物表面的沟槽中剩余的铝.
随着汽车和航空工业的开发人员不断推动制造更高效的车辆, 人们目前致力于设计坚固, 轻便的机器. 然而, 设计轻质材料需要将不同类型的材料 (如金属和聚合物) 组合在一起, 这些额外的步骤会增加制造成本 . 有最新工作表明利用激光技术会增加金属和塑料混合材料的粘合强度.
一个德国研究组的工程师最近发明了一种通过用红外激光预处理铝板来将塑料与铝粘合的技术 . 他们的成果发表在了 'Journal of Laser Applications' 杂志上. 研究人员发现, 用连续激光束对铝表面进行粗糙处理会产生与热塑性聚酰胺的机械互锁, 从而产生显着的强粘附力.
作者之一Jana Gebauer说: '在其他连接方法中, 一般需要一个我们希望的塑料部件来与金属部件配合. 而在注塑成型过程中, 我们直接在机器腔内的金属部件顶部生成塑料部件. 因此, 由于特定的热条件, 与热压或其他连接技术相比, 这是非常困难的. '
为了解决这些问题, Gebauer和她的同事每次在铝板表面使用连续激光和一次脉冲作用20皮秒 , 这样可以使铝板表面更粘, 以便在其上模塑聚酰胺层. 然后, 他们将片材放入注塑模具中, 并用热塑性聚酰胺包覆成型, 热塑性聚酰胺是一种与尼龙相关的聚合物, 常用于机械部件, 如电动工具外壳, 机械螺钉和齿轮.
Gebauer说: '之后我们分析了铝板的表面形貌并对粘接行为进行了机械测试, 以找出哪些参数可以实现最大的粘接强度. '
使用光学三维共聚焦显微镜和扫描电子显微镜进行的测试结果表明, 与连续激光预处理铝板沟槽中的形貌相比, 用脉冲激光处理的铝板沟槽中具有更平滑的线图案 . 用红外激光处理的铝板也表现出更强的粘合性, 但是随着水分含量的增加, 这些性能会降低.
尽管团队取得了成功, 但Gebauer认为, 要了解如何优化金属表面的预处理以使制造过程更加经济, 还有很多得工作要做. 现在, 她和她的同事们在研究模塑热塑性塑料在冷却时如何收缩.
Gebauer说: '热收缩导致机械应力的产生, 这会分离两个部件. 目前的挑战是找到一种结构来补偿收缩过程中产生的应力, 同时要求这种结构不会由于激光处理而造成铝的软化 . 目前我们希望使用超短脉冲激光器时能够产生可靠的粘接, 以减少金属部件的热损伤. '