超轻质泡沫铝刮擦振动钎焊界面润湿及结合机理的研究项目摘要

随着载人航天及高速列车等领域对超轻质多孔、大面积、高强度泡沫铝夹芯板及异型件的迫切需求，泡沫铝的连接显得日益重要。针对泡沫铝胶黏强度低、不耐高温和腐蚀、易老化和真空放气，热压粉末冶金易团聚和受大面积的限制，传统钎焊方法难润湿、电化学腐蚀及强度低等问题，提出了无钎剂机械刮擦和超声振动辅助钎焊泡沫铝的概念，即利用机械刮擦破除泡沫铝表面致密的氧化膜，为润湿提供初始界面，利用超声振动空化和流变、冲击效应促进钎料的铺展和氧化膜的去除，从而钎焊获得泡沫铝间及与致密金属间的冶金结合界面。在上述研究基础上重点研究无序多孔泡沫铝表面钎料的润湿和界面行为，泡沫铝与铝合金板异材连接的冶金界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观结构和形态的控制，并基于能量最小原理建立具有初始润湿界面和超声振动促进的无序多孔泡沫铝表面的钎料润湿行为物理模型，以及泡沫铝夹芯板承载特性和失效机理。

本项目针对泡沫铝胶黏强度低、不耐高温和腐蚀、易老化和真空放气，热压粉末冶金易团聚和受大面积的限制，传统钎焊方法难润湿、电化学腐蚀及强度低等问题，提出了无钎剂机械刮擦和超声振动辅助钎焊泡沫铝的概念，即利用机械刮擦破除泡沫铝表面致密的氧化膜，为润湿提供初始界面，利用超声振动空化和流变、冲击效应促进钎料的铺展和氧化膜的去除，采用Zn-Al-Cu基合金为钎料，通过刮擦振动辅助的方法，钎焊获得了泡沫铝间及与致密金属间的冶金结合界面，钎焊界面连续无缺陷。机械刮擦去除表面的氧化膜，形成毛细通道，使润湿铺展顺利进行。钎焊制备的夹芯三明治板，其铝板与泡沫铝的连接处，钎料与铝板结合致密，仅与泡沫铝的孔壁端面结合，再次冷却阶段无振动作用时，钎料未进入泡沫铝的孔隙中，机械振动时，钎料流布并填充进入孔隙中但填充不均匀，超声振动时，钎料流布并填充进入孔隙且填充均匀。泡沫铝与制备的夹芯结构板，压缩试验对应的应力－应变曲线均分为三个阶段：弹性阶段、应力平台阶段和密实化阶段；其压缩的吸能－应变曲线形状相似，随着应变的增加，吸能-应变曲线的斜率逐渐增大，表明吸能效率增大。夹芯结构板的三点弯曲试验，应力-应变曲线也由三个阶段组成：面板局部屈曲、芯体剪切失效和面板的凹陷及芯层密实的变化过程。在三点弯曲与落锤冲击的试验中，夹芯结构板都表现出了比泡沫铝更为优异的性能，强度与能量吸收为泡沫铝的几倍甚至几十倍。试验后，夹芯结构整体未断裂，芯层破坏严重，界面连接依然良好。在上述研究基础上重点研究了无序多孔泡沫铝表面钎料的润湿和界面行为，泡沫铝与铝合金板异材连接的冶金界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观结构和形态的控制，揭示了泡沫铝夹芯板承载特性和失效机理，并建立了具有初始润湿界面和振动促进的无序多孔泡沫铝表面的钎料润湿行为物理模型，钎料在泡沫铝等多孔材料表面的润湿行为，受表面状态、钎料成分、孔隙率等因素的影响。本项目研究结果为泡沫多孔材料的连接提供了新的思路。 2100433B

塑料制品表面有好几种明显损坏的方法，其中有尖锐物体的划痕；磨料摩擦产生的磨损；改变表面性能或光泽的表面损伤；或者钝化物体轻微刮擦造成的“写入效果”。根据汽巴精化的高级研究员AshuSharma博士的解释，材料在压入力和滑动力或横（侧）向力的作用下发生屈服，产生延性/脆性破坏从而造成刮痕。在刮痕中，不平的表面产生不均匀的光散射和“刮痕发化”。改善刮痕性能的解决方法包括尽可能减小聚合物底面粗糙程度和降低刮痕的胎肩，以产生尽可能少的光散射以及尽可能小的刮痕可见度。准确地测量耐刮擦性能，弄清楚表面破坏背后的材料科学知识对于形成改善方案是重要的。

然而聚烯烃材料的耐刮擦性能明显较差，而这一性能却是仪表板、操控台和门板表皮等汽车内部应用部件的关键性能。抗刮性是汽车外部应用部件、ATVs（全地形车辆）等车辆、耐用品和家具等的重要性能之一。塑料和汽车工业正积极寻找解决方案以提高聚烯烃材料的耐刮擦性能。表面性能提高的聚烯烃能很好地代替金属和工程树脂材料，同时还能很好地塑造出有颜色的用途。通过涂料、无机矿物填料和其它助剂技术可以提高聚烯烃的耐刮擦性能。此外耐刮擦性能还取决于其它很多因素，例如树脂的类型、填料含量、助剂、颜料、加工条件和表面粒度等。