汽車和航空工業為了節省成本常常需要設計輕質材料, 輕質材料往往需要將不同類型的材料組合起來, 而這會大大增加製造成本. 有最新工作表明利用雷射技術會增加金屬和塑料混合材料的粘合強度, 工程師通過用紅外雷射預處理鋁板技術, 將塑料與鋁粘合在了一起 . 他們在Journal of Laser Applications雜誌上詳細闡述了他們的工作. 以上是兩張掃描圖片, (a)是連續波雷射器結構邊緣處的鋁晶片, (b)是在拉伸剪切試驗後模塑聚合物表面的溝槽中剩餘的鋁.
隨著汽車和航空工業的開發人員不斷推動製造更高效的車輛, 人們目前致力於設計堅固, 輕便的機器. 然而, 設計輕質材料需要將不同類型的材料 (如金屬和聚合物) 組合在一起, 這些額外的步驟會增加製造成本 . 有最新工作表明利用雷射技術會增加金屬和塑料混合材料的粘合強度.
一個德國研究組的工程師最近發明了一種通過用紅外雷射預處理鋁板來將塑料與鋁粘合的技術 . 他們的成果發表在了 'Journal of Laser Applications' 雜誌上. 研究人員發現, 用連續雷射束對鋁表面進行粗糙處理會產生與熱塑性聚醯胺的機械互鎖, 從而產生顯著的強粘附力.
作者之一Jana Gebauer說: '在其他連接方法中, 一般需要一個我們希望的塑料部件來與金屬部件配合. 而在注塑成型過程中, 我們直接在機器腔內的金屬部件頂部生成塑料部件. 因此, 由於特定的熱條件, 與熱壓或其他連接技術相比, 這是非常困難的. '
為了解決這些問題, Gebauer和她的同事每次在鋁板表面使用連續雷射和一次脈衝作用20皮秒 , 這樣可以使鋁板表面更粘, 以便在其上模塑聚醯胺層. 然後, 他們將片材放入注塑模具中, 並用熱塑性聚醯胺包覆成型, 熱塑性聚醯胺是一種與尼龍相關的聚合物, 常用於機械部件, 如電動工具外殼, 機械螺釘和齒輪.
Gebauer說: '之後我們分析了鋁板的表面形貌並對粘接行為進行了機械測試, 以找出哪些參數可以實現最大的粘接強度. '
使用光學三維共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行的測試結果表明, 與連續雷射預處理鋁板溝槽中的形貌相比, 用脈衝雷射處理的鋁板溝槽中具有更平滑的線圖案 . 用紅外雷射處理的鋁板也表現出更強的粘合性, 但是隨著水分含量的增加, 這些性能會降低.
儘管團隊取得了成功, 但Gebauer認為, 要了解如何優化金屬表面的預處理以使製造過程更加經濟, 還有很多得工作要做. 現在, 她和她的同事們在研究模塑熱塑性塑料在冷卻時如何收縮.
Gebauer說: '熱收縮導致機械應力的產生, 這會分離兩個部件. 目前的挑戰是找到一種結構來補償收縮過程中產生的應力, 同時要求這種結構不會由於雷射處理而造成鋁的軟化 . 目前我們希望使用超短脈衝雷射器時能夠產生可靠的粘接, 以減少金屬部件的熱損傷. '