一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法与流程

1.本发明涉及金属与高分子材料复合连接技术领域，具体涉及一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法。


背景技术：

2.随着现代科技的快速发展，人们对工业产品的材质、结构和性能要求也不断提高，单一材料的性能往往不能满足人们的实际需求，尤其是汽车制造等大型产业，很多复杂的结构部件往往需要集成多种材料，利用不同材料的优势来满足具体的应用需求。高分子材料因其具有轻质、耐腐蚀、易加工、低成本等众多优良品质，在高铁、汽车、飞机、船舶部件以及医疗器械、数码产品、建筑装饰等领域应用越来越广。通过使用低密度的高分子材料来取代金属材料，可以实现交通工具等的减重，实现轻量化，从而达到降低能源消耗，减少二氧化碳排放等目的。
3.但是金属与高分子材料的连接属于异种材料连接，原有的金属焊接方式并不适用。目前，对于金属与高分子材料连接成型技术，常用的方法主要有采用机械连接、胶粘剂连接或利用对热塑性高分子材料加热熔融的方式进行连接，其中，机械紧固连接方式对材料构件的尺寸限制要求严格，且耐久性差，不能长时间使用；采用胶粘剂连接方法得到的金属与高分子复合材料的界面结合力差，且粘接剂毒性大，对人员与环境造成危害；采用对热塑性高分子材料加热熔融的方式进行连接，不使用任何有毒有害的化学粘结剂，安全环保，同时这种方式得到的金属与高分子材料的连接体的连接强度更高、耐久性更长，是新一代绿色环保的连接技术。
4.对于采用热塑性高分子材料加热熔融的方式进行连接，目前通常是对金属表面进行处理使其表面形成纳米级、微米级孔洞，然后将金属与高分子材料通过注塑结合，虽然通过将熔融状态的高分子材料注入金属表面微孔内进行锚固达到了一定的增强效果，但是由于金属材料与高分子材料本身的热膨胀系数存在加到差异，高分子材料在高温熔融与低温冷却时，由于较大的热膨胀而导致金属与高分子材料的界面存在较大的残余应力，导致一体化的金属高分子材料复合体的连接强度等一直在较低的水平，影响其大范围的应用推广。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法，通过在高分子材料中添加无机填料或其他不同种类的高分子材料制备高分子复合材料，降低其热膨胀系数，从而减少其与金属连接后在冷却过程中发生的在连接界面的残余应力与应力集中，进而制备出高强度的金属与高分子复合材料连接体。
6.本发明采用的技术解决方案是：
7.本发明提供了一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法，包括如下步骤：
8.(1)对金属材料的连接面进行表面处理，使金属材料的连接面表面形成孔洞，作为金属被连接体；
9.(2)对高分子材料进行共混改性，制备得到改性高分子复合材料，作为高分子被连接体；
10.(3)将高分子被连接体注入已放置金属被连接体的注塑模具中，设置注塑参数，注塑成型后得到金属与高分子复合材料连接体；
11.所述步骤(2)中共混改性为通过在高分子材料中添加无机填料进行改性。
12.进一步地，所述步骤(1)中金属材料的表面处理过程具体为：
13.(11)机械研磨：对金属材料的连接面进行打磨、抛光、喷砂或抛丸，去除金属材料表面的氧化层；
14.(12)化学浸渍：采用碱性溶液或酸性溶液浸渍金属材料，去除金属材料表面的杂质及油污，浸渍温度为25～80℃，时间为1～80min；
15.(13)电化学抛光：以金属材料作为阳极，铂作为阴极，置于电化学抛光液中进行抛光，电化学抛光电压为15～25v，时间为1～120s；
16.(14)阳极氧化制孔：将步骤(13)得到的金属材料作为阳极，石墨或不锈钢或铂作为阴极，浸于混合腐蚀溶液中，对金属材料行阳极氧化处理，控制阳极氧化的电流密度为50～200ma/cm2或控制阳极氧化的电压为1～50v，时间为1～120min，阳极氧化完成后，用清水洗涤；优选地，阳极氧化的电压为20～50v，时间为10～80min；
17.(15)阳极氧化扩孔：将步骤(14)得到的金属材料作为阳极，石墨或不锈钢或铂作为阴极，再次浸于混合腐蚀溶液中，对金属材料行阳极氧化扩孔处理，控制阳极氧化的电流密度为50～200ma/cm2或控制阳极氧化的电压为1～200v，时间为1～720min，阳极氧化完成后，用清水洗涤；优选地，阳极氧化的电压为50～200v，时间为20～80min；
18.(16)热处理：将步骤(15)得到的金属材料进行热处理，得到金属被连接体。
19.进一步地，所述步骤(12)中化学浸渍时，所采用的碱性溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、硝酸钠溶液、磷酸钠溶液、硅酸钠溶液中的至少一种，酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、高氯酸溶液、氨基磺酸溶液、醋酸溶液、次氯酸溶液中的至少一种；
20.所述步骤(13)中电化学抛光液由2～4wt％的高氯酸、0.3～0.8wt％的乙醇及去离子水组成；
21.所述步骤(14)、(15)中所述的混合腐蚀溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液、草酸溶液、alcl3溶液中的至少一种。
22.进一步地，所述步骤(2)中的无机填料为碳酸钙、膨润土、凹凸棒、羟基磷灰石、黄土、高岭土、壳聚糖中的至少一种。
23.进一步地，所述步骤(2)中无机填料与高分子材料的质量比为1～50:100。
24.在上述技术方案中，通过在高分子材料中加入少量的无机填料，可以在一定程度上降低高分子材料的热膨胀系数，使其与金属材料的热膨胀系数的差距缩小，从而降低注塑成型后冷却过程中连接界面的残余应力与应力集中。
25.进一步地，所述步骤(2)中高分子材料与无机填料共混改性步骤具体为：
26.(21)将无机填料进行粉碎、过筛处理，得到粒径细小的无机填料颗粒；
27.(22)将步骤(21)得到的无机填料颗粒进行表面改性处理，表面改性处理完成后将
无机填料颗粒烘干；
28.(23)将步骤(22)得到的无机填料颗粒与高分子材料进行共混，制备得到改性高分子复合材料，作为高分子被连接体。
29.进一步地，所述步骤(21)中无机填料颗粒的粒径为10～1000μm。
30.进一步地，所述步骤(21)中无机填料颗粒的粒径为50～500μm。
31.进一步地，所述步骤(22)中无机填料表面改性处理步骤为将无机填料浸入水和/或硅烷偶联剂和/或高分子材料单体溶液中。
32.在上述技术方案中，通过对无机填料表面进行改性处理，可以使无机填料与高分子材料混合时，具有更好的相容性，使无机填料能均匀分散在高分子材料中。
33.进一步地，所述金属材料为铝、镁、铜、铁、钛、镍、锡、金中的一种或几种的合金。
34.进一步地，所述高分子材料为热塑性树脂，所述热塑性树脂为pp、pe、pc、pmma、pa、pcl、pla、pbs、pva、lcp、peek、pbt、pps、abs中的一种或几种。
35.进一步地，所述步骤(3)中注塑参数包括：注塑温度为150～380℃，模具温度为60～260℃，注塑压力为20～130mpa，注射速度为10～200mm/s。
36.上述注塑参数可根据高分子材料的种类进行调整。
37.本发明的有益效果为：
38.本发明通过在高分子材料中添加无机填料对高分子材料改性，能够在一定程度上降低高分子材料的热膨胀系数，使其与金属材料的热膨胀系数的差距缩小，从而降低注塑成型后冷却过程中连接界面的残余应力与应力集中，进而增大金属与高分子材料之间的连接强度。
附图说明
39.为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是实施例1中经步骤(1)表面处理后得到的铝合金表面的sem图；
41.图2是实施例1-3及对比例1所制备得到的金属与复合材料连接体的连接强度测试结果；
42.图3是实施例3所制备得到的金属与复合材料连接体的拉伸断面图；
43.图4是实施例4-6及对比例1所制备得到的金属与复合材料连接体的连接强度测试结果
44.图5是实施例6所制备得到的金属与复合材料连接体的拉伸断面图。
具体实施方式
45.本发明提供了一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.下面结合附图对本发明进行详细说明：
47.实施例1
48.本实施例提供了一种金属与高分子复合材料的高强度注塑连接方法，用于连接铝合金(6063)与聚苯硫醚树脂(pps)，包括如下步骤：
49.(1)对铝合金的连接面进行表面处理，使铝合金的连接面表面形成孔洞，作为金属被连接体；具体为：
50.(11)机械研磨：对铝合金的连接面进行打磨、抛光、喷砂或抛丸，去除金属材料表面的氧化层；
51.(12)化学浸渍：采用碱性溶液(30g/l碳酸钠、30g/l磷酸三钠、15g/l硅酸钠和去离子水组成)浸渍铝合金，去除铝合金表面的杂质及油污，浸渍温度为50℃，时间为30min；
52.(13)电化学抛光：以铝合金作为阳极，铂作为阴极，置于电化学抛光液(3wt％高氯酸、0.5wt％乙醇与去离子水组成)中进行抛光，电化学抛光电压为20v，时间为120s；
53.(14)阳极氧化制孔：将步骤(13)得到的金属材料作为阳极，不锈钢作为阴极，浸于30wt％草酸溶液中，对金属材料进行阳极氧化处理，电压为40v，时间为15min，阳极氧化完成后，用清水洗涤；
54.(15)阳极氧化扩孔：将步骤(14)得到的金属材料作为阳极，不锈钢作为阴极，浸于20wt％草酸溶液中，对金属材料行阳极氧化扩孔处理，电压为165v，时间为360min，阳极氧化完成后，用清水洗涤；
55.(16)热处理：将步骤(15)得到的金属材料进行热处理，热处理工艺为100℃*6h，得到金属被连接体；
56.(2)对pps进行共混改性，制备得到改性pps，作为高分子被连接体；具体为：
57.(21)将有机膨润土(ommt)进行粉碎、过筛处理，获得粒径为200～500μm的无机填料颗粒；
58.(22)将步骤(21)粉碎、过筛后的有机膨润土浸入硅烷偶联剂的水溶液中，对其进行表面改性处理，表面改性处理完成后烘干；
59.(23)将步骤(22)得到的有机膨润土颗粒(有机膨润土的添加量为pps添加量的1％)与pps在双轴混炼机中进行共混制备得到改性pps，作为高分子被连接体；
60.(3)将金属被连接体置于注塑成型机的模具中，然后将高分子被连接体注入模具中，注塑成型过程中，注塑温度为330℃，注塑压力为50mpa，模具温度为120℃，注射速度为110mm/s；
61.(4)待注塑完成并冷却后脱模，即可得到具有高连接强度的金属与高分子复合材料的连接部件。
62.利用扫描电镜对上述实施例1中经步骤(1)表面处理后得到的铝合金表面进行检测，如图1所示，从图1中可以看出，铝合金表面形成均匀分布的孔洞，平均孔径为100nm，孔隙率为28％。即通过对铝合金的连接面进行表面处理，在其表面形成均匀分布的纳米级孔洞，从而注塑过程中使熔融的高分子材料进入铝合金的孔洞内，提高连接强度。
63.实施例2
64.本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例中，在制备高分子被连接体时，有机膨润土的添加量为5wt％(占pps添加量的5％)。
65.实施例3
66.本实施例3与实施例1的区别在于，本实施例中，在制备高分子被连接体时，有机膨润土的添加量为9wt％(占pps添加量的9％)。
67.实施例4
68.本实施例4与实施例1的区别在于，本实施例中，在制备高分子被连接体时，高分子被连接体为pps与碳酸钙共混改性制备得到，且碳酸钙的添加量为1wt％(占pps添加量的1％)。
69.实施例5
70.本实施例5与实施例4的区别在于，本实施例中，在制备高分子被连接体时，碳酸钙的添加量为5wt％(占pps添加量的5％)。
71.实施例6
72.本实施例6与实施例4的区别在于，本实施例中，在制备高分子被连接体时，碳酸钙的添加量为9wt％(占pps添加量的9％)。
73.对比例1
74.本对比例1与实施例1的区别在于，本对比例中，在制备高分子被连接体时，仅采用pps制备，未添加有机膨润土等无机填料对pps进行改性。
75.对上述实施例1-3及对比例1所制备得到的金属与高分子材料连接件的连接强度(抗拉伸强度)进行检测，如图2所示。从图2中可以看出：与对比例1相比，实施例1-3中通过添加1～9％的有机膨润土对pps进行改性后制备得到的金属与高分子复合材料连接体的连接强度提升6～8mpa，当有机膨润土的添加量为5％时，其连接强度最高，能达到23mpa。
76.另外，对实施例3进行连接强度检测后，其拉伸断面的sem照片如图3所示，图3中左图为金属被连接体断面，右图为pps断面。从图3中可以看出，金属被连接体断面及pps断面粗糙，且均有残留的树脂存在，为韧性断裂，进一步说明铝合金与pps连接界面连接牢固。
77.对上述实施例4-6及对比例1所制备得到的金属与高分子材料连接件进行连接强度(抗拉伸强度)检测，如图4所示。从图4中可以看出：与对比例1相比，实施例4-6中通过添加1～9％的碳酸钙对pps进行改性后制备得到的金属与高分子复合材料连接体的连接强度提升6mpa左右。
78.另外，对实施例6进行连接强度检测后，其拉伸断面的sem照片如图5所示，图5中左图为金属被连接体断面，右图为pps断面。从图5中可以看出，金属被连接体断面及pps断面粗糙，且均有残留的树脂存在，为韧性断裂，进一步说明铝合金与pps连接界面连接牢固。
79.本发明通过添加无机填料对高分子材料改性，能够在一定程度上降低高分子材料的热膨胀系数，使其与金属材料的热膨胀系数的差距缩小，从而降低注塑成型后冷却过程中连接界面的残余应力与应力集中，进而增强金属与高分子材料之间的连接强度。但是，无机填料的添加量不能过大，这是因为虽然高分子材料中无机填料的添加量越大，高分子材料的热膨胀系数越小，并越接近金属材料的膨胀系数，但是当高分子材料中无机填料含量较高时，将影响高分子材料原有的韧性、耐冲击性等，不能获得所需性能的金属与高分子材料连接体；而且当无机填料的添加量大时(如超过50％)，会减小金属与高分子材料的连接面积，反而降低金属与高分子材料之间的连接强度。
80.需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
81.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领
域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。