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材料学院檀财旺教授课题组在金属与热塑复合材料连接领域取得重要进展

近日,校区材料科学与工程学院檀财旺教授课题组在金属与热塑复合材料激光连接领域取得重要进展,提出了一种金属与碳纤维增强热塑复合材料大差异材料连接过程中简便有效的界面调控手段。相关成果以《诱导氢键强化钛合金/碳纤维增强热塑复合材料激光连接界面》(Enhanced interfacial bonding strength of laser bonded titanium alloy/CFRTP joint via hydrogen bonds interaction)为题发表在复合材料顶刊《Composites Part B: Engineering(中科院一区TOP期刊,影响因子9.078)上。材料科学与工程学院檀财旺教授为论文第一作者,所指导的博士研究生苏健晖为第二作者,该工作得到了国家高速列车创新中心研发计划、国家自然科学基金、山东省优青、亚博取现是秒到青年拔尖人才等基金的资助。

双碳目标推动我国低碳发展转型,高速、智能、节能成为轨道交通运载装备未来的发展主题。基于环保、先进、安全的设计理念,多材料复合结构的柔性设计将成为装备轻量化主要表现形式,这可使装备局部结构减重30-40%。基于这一战略目标,碳纤维增强热塑复合材料作为轻质合金替换性材料近年来受到轻量化产业的青睐,其与金属的连接结构设计也逐渐成为异种材料连接应用在高铁技术的研究热点。但两种材料的微观组织及热物理性能差异较大,难以进行熔化焊接以达成冶金结合。激光连接工艺因具备更优异的工业适用性及环保特性,通过突破传统连接机制、优化工艺窗口减少热塑复合材料热损伤缺陷,以实现界面机械咬合使两者达成可靠连接,但连接强度一般较低。

团队提出通过微米级多孔结构的预制及纳米级硅烷偶联薄膜的定向引入,实现对金属与碳纤维增强热塑复合材料激光连接界面的微-纳双尺度定向强化设计理念。多孔结构的引入显著提高了金属表面的物理粗糙状态,促进界面的机械嵌合行为的同时优化了金属表面的化学状态,极性官能团的吸附含量显著提高,这为硅烷偶联薄膜的定向引入提供了优异的条件。引入的纳米级硅烷偶联薄膜在激光连接过程中实现了对界面氢键作用的诱导并被精确捕捉与鉴定。这进一步提高了金属/热塑复合材料轻量化结构连接的可靠性,该设计理念也将为界面定向改性强化提供新思路,为金属/热塑复合材料界面氢键的诱导与鉴定奠定了理论基础。


  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109966


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