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日本异种接合技术
发布日期:2015-08-04        浏览次数:

 螺钉及铆钉等紧固件虽然是重要部件,但如果不需要的话则更好。随着部件数量减 少,部件成本、管理成本及加工成本都可降低,而且还可实现轻量化。进一步来说,这样还能提高设计自由度,提高外观设计性。异种材料接合技术的开发日趋活跃,其背景源于设计人员面临着“要做前所未有的革新性设计”这一超高要求。

  2013年日本专利厅公布的“2013年度专利申请技术动向调查报告”显示,日本的接合技术专利申请数量排在第一位。开发接合技术时,在达到充分的抗剥离强度之前,确立技术需要巨大的努力,而且很长时间之后才能获得应用,因此这是一个追求短期利润企业很少涉足的领域。
名词解释:锚固效应
  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。

  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。
图为:将树脂与金属的接合技术应用于飞机座椅的方案
图为:用化学药剂处理铜合金表面之后的样子(由MEC提供)
图为: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)
  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。
  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”。
宝理塑料开发出异种树脂接合技术
  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。2014年5月19日从事树脂材料生产与销售的宝理塑料(Polyplastics)宣布,开发出了可强力接合异种树脂的双重成型技术“AKI-Lock”。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”。
  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。
  该技术主要由3道工序构成:
  (1)使用玻璃纤维强化树脂的一次成型品射出成型;
  (2)取出一次成型品后对接合部表面进行激光加工;
  (3)第二次射出成型。
  最大特点在于(2)的激光加工工序。操作时先照射红外线激光,在热分解及气化作用下去除树脂表面部分,仅留下作为强化材料的玻璃纤维(见图)。然后凭借留下的玻璃纤维的锚定效应使第二次射出成型的树脂强力接合。
因此,只要是能够用玻璃纤维来强化的树脂均可使之接合。另外还可接合以碳纤维强化的树脂。
  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。

  一次成型品表面的沟槽深度因树脂的组合种类而略有不同,大约为数100μm级别。此次开发的关键就在于找到了能够获得这种表面性状的加工条件。

  宝理塑料将向客户企业无偿提供这项新技术,由此扩大作为主业的树脂材料业务,使数十亿日元的销售额实现百亿日元的增加。在汽车用途方面,预计该技术可用于混合动力系统的部件等。
大成PLAS:用新成型技术造手机壳,将金属与树脂紧凑一体化
  大成PLAS的“纳米成型技术(NanoMolding Technology,NMT)”以两步工序来接合金属和树脂。具体操作时,首先用化学药品处理金属表面,形成肉眼看不出来的微细凹凸。然后,将处理后的金属放入模具,射出熔融树脂,实施嵌入成型(Insert Molding)。这样,便可制造出金属与树脂相结合的部件。
图为:大成PLAS提供树脂与金属的接合技术“NMT”的示例:智能手机外壳部件
  NMT已在电气产品中大量采用。除了要求小型化的智能手机及数码相机,还被应用到了扬声器整面的网罩上。扬声器网罩在不使用螺钉的情况下将金属网接合到树脂框上。为防止树脂进入金属网网眼下了一番工夫,提高了外观设计性。
  在智能手机的外壳部件方面,利用NMT来制造的例子开始增加,制成的部件与其说在金属上接合树脂,不如说是两者形成了一体。如图2所示,乍一看似乎是一整片金属板,而实际上,金属部分被细窄的树脂部分分隔成了三段。整个部件是制成的。
  手机外壳看上去为一体,而实际上被细窄的树脂部分隔开成三段。通过嵌入成型在金属上附着树脂后,将金属与树脂一体化后切削,即使刀头经过树脂部分,接合部也不会剥落。
  作为NMT今后的发展方向,大成PLAS瞄准的目标之一是与粘合剂并用。NMT本来就是无需粘合剂即可接合的技术,因此乍看之下似乎相互矛盾,但由于粘合剂也是树脂,因此利用NMT可使粘合剂更牢固地附着在金属上。如果是在金属之间以避免电蚀为目的加入绝缘层,并想实现强力接合时,这种并用将是很好的选择。
  目前的NMT还需要使熔融树脂进入金属表面的微细坑洞中,因此树脂的流动性必须要高。大成PLAS今后打算将金属表面的坑洞略微加大,使粘度稍大的粘合剂也可进入。“只要能够很好地进入坑洞并凝固,就无需对粘合剂挑剔。不一定非要使用钢专用及铝合金专用的粘合剂。
  大成PLAS打算利用相同的原理,致力于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与金属之间的粘合剂接合。“CFRP虽具有轻量性,但不与金属连接起来,就成不了部件。金属一侧可利用NMT来接合,因此粘合剂只需优先考虑如何牢固附着在CFRP上即可开发。
日本MEC公司扩大异种材料接合技术的适用材料种类
  日本MEC公司扩大了可直接接合树脂与金属的异种材料接合技术“AMALPHA”的适用材料种类。树脂从原来的5种增加到了17种。金属方面除了铝(Al)合金锻造材料之外,还可接合铝合金压铸件。增加了铝合金压铸材料之后,该技术有望快速推广到使用压铸件较多的汽车领域。


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