关键词：
塑料-金属复合材料
微弧氧化
热压成型
超声波
摘要：
异质材料的连接成型是材料行业近几年的关键技术,由于塑料/金属复合材料兼具金属高强度和塑料低密度的特点,使之成为复合材料的研究热点。本文对AZ91D镁合金表面进行微弧氧化处理,并采用非超声和超声条件下热压成型工艺制备玻璃纤维增强聚苯硫醚（GFRPPS）塑料/镁合金复合试样,研究内容主要包括AZ91D镁合金微弧氧化工艺优化探究,非超声波和超声波条件下热压成型GFRPPS/镁合金复合试样界面结构与性能探究。主要结论如下:
AZ91D镁合金表面进行微弧氧化处理,通过正交试验探究合适的微弧氧化电解液成分配比,最佳组配比为5g/L Na OH、5m L/L甘油、10g/L KF、0.5g/L EDTA、10g/L Na Al O2。通过控制变量试验探究微弧氧化合适的电源参数和氧化温度,最佳组参数为220V终止电压、2A/dm2电流密度、15℃氧化温度。采用扫描电子显微镜（SEM）观察经微弧氧化处理后镁合金表面形成的氧化膜层,呈现类似“火山口”形状的多孔结构,膜层厚度约为5μm。利用Image J软件分析镁合金微弧氧化膜层的孔隙率和平均孔径,最佳组孔隙率约为27.55%,平均孔径约为0.33μm。运用接触角测量仪测量镁合金及微弧氧化膜层表面接触角与表面自由能,最优组表面接触角约为8.91°,表面自由能约为71.94 m J/m2。
在微弧氧化处理后镁合金表面的基础上,与GFRPPS塑料进行热压成型。采用正交试验探究合适的热压成型工艺,并对复合试样的连接强度进行拉伸剪切测试。发现复合制件的拉伸剪切强度会随着热压温度的升高而增大,最佳组复合试样的拉伸剪切强度为18.51MPa、热压温度为340℃、热压压力为0.5MPa、热压时间为40s。采用控制变量试验探究不同热压温度下GFRPPS/镁合金复合制件的界面失效形式、结晶性能、嵌入深度以及界面结合处的化学价态。采用SEM观察到复合试样的拉伸剪切失效形式表现为内聚失效和界面失效的混合失效,并在截面形貌里发现GFRPPS塑料与镁合金之间形成了微观机械互锁结构。采用X射线衍射仪（XRD）分析GFRPPS失效表面的结晶性能,发现结晶度会随着热压温度的升高而增大,在热压温度为340℃下,其结晶度达到43.36%。采用原子力显微镜（AFM）分析GFRPPS失效表面的嵌入情况,发现其表面粗糙度和嵌入深度会随着热压温度的升高而增加,表面粗糙度范围在80～230 nm,嵌入深度范围在50～500 nm。采用X射线光电子能谱（XPS）分析镁合金失效表面的化学价态,发现不同热压温度下的镁合金失效表面Mg1s轨道的化学状态发生了变化,并且在C1s轨道的286.3e V和289e V处都出现了C-O-Mg和O-C=O化学键,说明在镁合金失效表面生成了镁氧碳Mg-O-C=O配位化合物,有利于在GFRPPS/镁合金复合试样的界面结合处形成化学键合作用。
在热压成型工艺的基础上加以超声波辅助,制备GFRPPS/镁合金复合试样。采用正交试验探究合适的超声波辅助热压成型工艺,并对复合试样的连接强度进行拉伸剪切测试。发现复合试样的拉伸剪切强度会随着超声振幅的增加而降低,最佳组复合试样的拉伸剪切强度为20.50MPa、超声振幅为25%、熔接时间为10s、冷却时间为10s。通过控制变量试验探究不同超声振幅下GFRPPS/镁合金复合试样的界面失效形式、结晶性能、嵌入深度以及界面结合处的化学价态。采用SEM观察到复合试样的拉伸剪切失效形式表现为内聚失效,并在截面形貌里发现GFRPPS塑料与镁合金之间形成了微观机械互锁结构。采用XRD分析GFRPPS失效表面的结晶性能,发现结晶度会随着超声振幅的增大而降低,在超声振幅为25%下,其结晶度达到13.83%。采用AFM分析GFRPPS失效表面的嵌入情况,发现其表面粗糙度和嵌入深度会随着超声振幅的增加而增大,但是其凸起区域的分布很不均匀。表面粗糙度范围在50～60nm,嵌入深度范围在90～160nm。采用XPS分析镁合金失效表面的化学价态,发现不同超声振幅下的镁合金失效表面Mg1s轨道的化学状态发生了变化,并且在C1s轨道的282.7e V和289e V处都出现了C-O-Mg和O-C=O化学键,说明在镁合金失效表面生成了镁氧碳Mg-O-C=O配位化合物,有利于在GFRPPS/镁合金复合试样的界面结合处形成化学键合作用。
综上所得,GFRPPS/镁合金复合试样的连接强度主要受镁合金微弧氧化工艺,非超声和超声条件下热压成型工艺等因素影响。镁合金表面经微弧氧化处理后所形成的微纳米孔洞,与GFRPPS塑料经过非超声波和超声波条件下热压成型,发现在界面结合处形成了微观机械互锁结构与化学键合,有利于提升GFRPPS/镁合金复合试样的连接性能。
