一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，将金属表面磨抛洗净后，用腐蚀性液体浸泡金属表面，使其表面形成一层反应层，该反应层包括金属基底和分散在金属基底上的化合物颗粒，在与高分子连接的过程中，高温下流动性提升的熔融高分子与金属基底及化合物颗粒充分接触润湿后形成紧密的微观咬合与键合，使金属表面与高分子有效连接。与现有技术相比，本发明专利技术表面处理工艺适用范围广泛，操作简单，有效可靠，能够满足不同种类与尺寸的金属/高分子的连接研究。

A Surface Treatment Method for Metal/Polymer Joints

【技术实现步骤摘要】
一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法
本专利技术涉及金属/高分子连接，尤其是涉及一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法。
技术介绍
金属与高分子的复合联用在汽车工业、航空航天、生物医药等领域都有较大的需求。但较大的力学、热学、化学性质的差异使金属/高分子连接具有较高的难度。一般而言，金属与高分子连接常采用粘接、机械连接与新型焊接工艺等方法。其中，机械连接与粘接是较为传统的材料间连接方法，分别存在易应力集中、铆钉增加结构重量与极端环境使用寿命短、连接需要工艺复杂的前后处理的缺点。新型焊接工艺，如激光焊接、搅拌摩擦焊接、超声波焊接可以有效避免上述缺点。在这些工艺中，激光焊接与搅拌摩擦焊接分别使用激光生热与摩擦生热的方式加热金属/高分子界面，从而熔融高分子，使其与金属之间形成较好的宏观咬合与微观键合。而超声波焊则是使用压头的高频振动波传递至界面处，金属与高分子在界面相互摩擦生热，从而使高分子熔融形成连接。这些方法都已被证明能有效实现金属与高分子间的连接。然而，使用上述连接工艺对未经表面处理的金属/高分子连接接头的强度都较低。究其原因，是因为其连接机制主要为高分子熔融后与金属的微观界面粘接作用，连接强度不稳定。无表面处理的金属/高分子间无法形成有效的宏/微观机械咬合，从而提升接头强度。因此，开发出适合金属/高分子连接的表面处理工艺是提高金属/高分子连接接头强度的有效途径。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效的、应用范围广的应用于金属/高分子连接的表面处理方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法：包括以下步骤：1.由于常用金属暴露在大气中均覆有较致密的氧化层，如铝合金、钛合金、钢与铜，故事先使用砂纸对金属块体表面磨抛并清洗，以去除金属表面的氧化层与污渍。2.将金属表面磨抛洗净后，用腐蚀性液体浸泡金属表面，使其表面形成一层反应层，该反应层包括裸露的金属基底和分散在金属基底上的化合物颗粒，在与高分子连接的过程中，高温下流动性提升的熔融高分子与金属基底充分接触润湿，并与化合物颗粒形成紧密的微观咬合与键合，使金属与高分子有效连接。所述的化合物颗粒的长度与宽度范围均为1μm-20μm，化合物颗粒的投影面积占据所述反应层总面积的5％-40％，化合物颗粒突出金属表面的高度范围为0.1μm–10μm。所述的腐蚀性液体优先选择酸性较强的腐蚀剂，包括氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸中的一种或几种。在酸液浓度的选择上，为确保酸液对表面腐蚀的强度与腐蚀效率，酸液中氢离子浓度需大于0.1mol/L(即pH值低于1)；为防止酸液对表面形成的化合物颗粒的过度腐蚀，酸液中氢离子浓度需小于10mol/L(即pH值高于-1)。因此，酸液中氢离子浓度需介于0.1mol/L–10mol/L之间。所述的酸液优选浓度为0.5mol/L–10mol/L的氢氟酸。所述的酸液浸泡金属表面的时间，根据不同的金属/高分子组合与腐蚀性液体的选择，范围为5秒至20分钟不等。所述的腐蚀性液体浸泡金属的方式是在超声波中浸泡，超声波的功率选择10W–200W之间。所述的金属表面磨抛洗净先进行粗糙化处理后，再浸泡在酸液中，粗糙化处理方法包括喷砂、三维打印或刻印。粗糙化处理可使用一定方法提高金属板表面的宏观粗糙度，从而促进其在连接过程中与高分子的宏观机械咬合。所述的粗糙化处理方法优选为喷砂处理，喷砂后表面粗糙度范围为0.5μm–100μm。表面处理后的金属与高分子连接方法包括摩擦焊、热压焊、激光焊或超声波焊。本专利技术方法处理形成的反应层在金属/高分子连接过程中具有良好的辅助连接效果：1.在连接过程中，高温下流动性提升的熔融高分子与新鲜裸露的金属基底接触后，将金属基底表面的化合物颗粒充分润湿，形成较为紧密的微观咬合与键合。所述的微观咬合与键合的具体形成方式为，通过熔融高分子润湿金属后嵌入金属基底或化合物颗粒的微观粗糙结构形成微观咬合，通过高分子中的极性基团(如羰基，羧基与氨基)与金属基底或化合物颗粒形成化学键合。2.在连接结束后，金属表面密集分布的化合物颗粒浮突能与高分子形成有效的钉扎作用，以此有效提升接头连接强度。有效钉扎作用具体定义为：在界面处剪切应力的作用下，化合物表面浮突能减缓与阻止金属/高分子界面处的裂纹扩展，将其引导至高分子母材内部，从而提升界面连接强度。根据本专利技术所述的表面处理方法，因为在连接过程中无需较大的下压量与下压力辅助，因此可以以许多不同的连接方法实现金属/高分子的有效连接，如：摩擦焊、热压焊、激光焊、超声波焊。在本专利技术的实施例中将选择使用热压焊与摩擦焊进行说明。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本方法适用范围广，可适用大部分金属与高分子的连接，且连接工艺可以多种多样。一般常用的金属(如：钢，铝合金，钛合金)与常用的高分子(如：聚乙烯(PE)，聚苯硫醚(PPS)，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，碳纤维增强高分子材料)都可以适用本方法中的表面处理工艺提升连接接头性能。2.本专利技术使用的表面处理工艺均较为便捷有效。所需的化学溶液较易获取，表面处理工艺耗时短、操作成本低、接头强度提升显著。3.本专利技术中的表面处理工艺在应用相同的处理参数时，可重复性很高，处理后表面微观形貌均匀，连接强度稳定，数据可靠。附图说明图1为本专利技术应用于热压焊的过程示意图；图2为实施例1中氢氟酸处理钛合金后表面形貌扫描电镜表征照片；图3为实施例2中氢氟酸+硝酸混合溶液处理钛合金后表面形貌扫描电镜表征照片；图4为本专利技术中酸处理钛合金表面后与PET的连接机制示意图。其中，1为金属板材，1a为实施例中使用的钛合金板材；2为经过表面处理后的金属粗糙表面，其中：2a是实施例1中使用氢氟酸处理的钛合金表面，2b为实施例2中使用氢氟酸/硝酸混合溶液处理的金属表面结构；3为高分子块体，3a为实施例中使用的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)块体；4为导电碳刷；5为压头；6为测力传感器；7(白色浮突)为表面处理后的金属表面的化合物颗粒，其中，7a为实施例中钛合金经过氢氟酸表面处理后的浮突斑点，7b为实施例中钛合金经过氢氟酸/硝酸混合溶液处理厚的表面浮突斑点，8(灰色虚线)为未经表面处理的接头在拉伸测试中的断裂路径，9(灰色虚线)为界面处有化合物颗粒的接头在拉伸测试中的断裂路径。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1：应用于钛合金与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的热压焊连接。先使用砂纸将厚度2～3mm的钛合金板表面磨抛，并在去离子水中超声洗净。配置5wt％-10wt％浓度的氢氟酸溶液，将钛合金平板在超声波中浸泡5～20秒。经表面处理后的钛合金表面扫描电镜表征形貌如图2所示。图中可见，钛合金表面2a出现了大量白色浮突斑点7a，经能谱(EDS)与X射线衍射(XRD)检测为二氧化钛化合物颗粒，黑色基底为钛合金母材，为较新鲜的钛合金表面，仅有少量氧元素分布。白色浮突氧化物颗粒的面积占钛合金总表面的15％左右，且在处理后的钛合金表面分布均匀。使用图1的装夹方式，将金属板材1(钛合金)使用两个导电碳刷4固定于工作台上。高分子块体3固定于压头5上，压头5上集成了测力传感器6。导电碳刷4与直流电机相连，启动电机后便使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，其特征在于，将金属表面磨抛洗净后，用腐蚀性液体浸泡金属表面，使其表面形成一层反应层，该反应层包括金属基底与分散在金属基底上的化合物颗粒，在与高分子连接的过程中，高温下流动性提升的熔融高分子与金属基底接触后，与化合物颗粒形成紧密的微观咬合与键合，使金属与高分子有效连接。

【技术特征摘要】
1.一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，其特征在于，将金属表面磨抛洗净后，用腐蚀性液体浸泡金属表面，使其表面形成一层反应层，该反应层包括金属基底与分散在金属基底上的化合物颗粒，在与高分子连接的过程中，高温下流动性提升的熔融高分子与金属基底接触后，与化合物颗粒形成紧密的微观咬合与键合，使金属与高分子有效连接。2.根据权利要求1所述的一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，其特征在于，所述的化合物颗粒的长度与宽度范围为1μm–20μm，化合物颗粒的投影面积占据所述反应层总面积的5％–40％。3.根据权利要求1所述的一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，其特征在于，化合物颗粒突出金属表面的高度范围为0.1–10μm。4.根据权利要求1所述的一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法，其特征在于，所述的腐蚀性液体为能在金属表面产生腐蚀效果的液体，优选为酸性液体，包括氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸中的一种或几种，且酸液中氢离子浓度介于0.1mol/L–10mol/L之间，即酸液的pH值介于-1与1之间。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋沐阳，巴克特然·萨里耶夫，陈科，单爱党，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31