CFRP/Al dissimilar friction stir spot welding assisted by steel mesh sheets and evaluation of fatigue properties

在现代交通运输和机械领域，节省能源和减少排放的驱动力促使工程师们用更轻的材料取代沉重的钢材。两种最受欢迎的选择是铝（一种既轻又强的金属）和碳纤维增强塑料（一种由细小的碳丝锁在坚硬树脂中的复合材料）。虽然这些材料本身性能优异，但将它们连接在一起长期以来一直是个令人头疼的问题。传统的连接方法（如螺栓连接）会增加重量并产生薄弱点，而使用胶水则需要漫长的固化等待时间。多年来，科学家们一直在寻找一种更快、更强的方法，在不熔化材料的情况下将金属和塑料融合在一起，希望能创造出既轻盈又耐用的混合结构。

来自岐阜大学及其合作伙伴的研究团队通过使用一种称为摩擦搅拌点焊的技术，在解决这一问题上取得了重大进展。这一过程就像一个高速的固态搅拌器：旋转的工具压在重叠的铝片和塑料片上，通过摩擦产生足够的热量使材料软化，从而让它们相互融合，而无需熔化。然而，直接将铝焊接在碳纤维塑料上非常困难，因为这两种材料天然的结合力并不好。为了克服这一点，研究人员引入了一个聪明的中间媒介：一层薄薄的钢丝网。他们在焊接前将这种网状结构放置在塑料板的表面，有效地在金属和塑料之间搭建了一座桥梁。其目标是观察这个“钢桥”是否能比直接焊接更牢固地将这两种性质不同的材料连接在一起，并了解这些接头在反复应力下的耐久性。

研究人员首先准备了材料。他们使用了标准的铝合金板和由特定类型塑料树脂制成的碳纤维板。在连接之前，他们利用热量和压力将一层不锈钢丝网压入碳纤维板的表面，使金属丝略微嵌入塑料中。随后，他们使用摩擦搅拌点焊工具将铝板与这种经过网状强化的塑料连接起来。为了寻找最佳组合，他们测试了三种不同类型的钢丝网：一层普通的单层不锈钢、两层同样的钢材，以及一层更强、更复杂的钢合金。他们还制作了对照样本，即在没有任何网状结构的情况下将铝直接焊接在塑料上，以观察钢丝到底起到了多少帮助。

当研究人员拉开焊接接头进行强度测试时，结果令人瞩目。使用钢丝网的接头强度几乎是直接焊接（无网）时的两倍。这证实了钢丝网起到了强大的粘合剂作用。铝和钢丝在化学上融合在一起，形成了一层坚固的混合金属层，同时钢丝在机械层面锁入了塑料中。然而，当研究人员比较不同类型的网状结构时，出现了一个令人意外的模式。尽管双层网和更强的钢合金在单独使用时都比单层普通钢材要坚韧得多，但最终焊接接头的强度并没有成比例增加。使用最强网状结构的接头，其强度并不比使用最弱网状结构的接头显著提高。事实上，无论钢丝网本身有多强，最终接头强度的差异都非常小。

为了理解为什么更强的钢材没有带来更强的接头，研究人员仔细观察了材料实际断裂的位置。当他们拉开接头时，钢丝网和铝仍然粘在一起，但碳纤维塑料却撕裂了。断裂并非发生在钢材或金属与塑料的交界处，而是在塑料内部，就在距离焊接工具按压位置仅一小段距离的地方。通过在显微镜下观察破碎的碎片，他们发现焊接过程产生的热量损坏了塑料树脂中的一层薄层，产生了微小的空隙或空洞。这个受损区域只有约两百微米厚，大约相当于两根头发丝的宽度。由于这一薄层的塑料被热量削弱了，它成为了整个链条中最薄弱的一环。无论钢丝网多么坚固，接头的强度都只能取决于这层受热损伤的塑料。

研究人员随后测试了这些接头在重复应力下的表现，模拟了汽车零件在运行过程中可能经历的震动和摇晃。他们发现，对于所有三种类型的钢丝网，疲劳强度（即在多次加载循环后抵抗断裂的能力）几乎是完全相同的。就像静态强度测试一样，疲劳失效也发生在同一个地方：即靠近界面的热损伤塑料处。钢丝网并没有先断裂，而是由于塑料产生了裂纹，直到塑料失效后，钢丝才最终折断。这证实了接头的使用寿命是由塑料的状态决定的，而不是由“钢桥”的强度决定的。

该研究得出结论：虽然钢丝网对于建立铝与碳纤维塑料之间的强力结合至上重要，但仅仅使用更强或更厚的网状结构并不会使接头变得更强。限制因素在于焊接过程中被热量损坏的那层薄塑料。研究人员建议，未来若要使这些接头变得更强，重点不应放在改变钢丝网上，而应转向减少焊接过程中的热输入。通过使用较少的热量，受损的塑料层会变得更薄，从而有可能充分利用钢丝网的全部强度。这种方法为制造更轻、更高效的车辆和机械提供了一条充满希望的路径，证明了有时更强大的连接关键不在于“桥梁”本身，而在于保护它所立足的“土地”。