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慕尼黑工業(yè)大學(xué)研發(fā)出復(fù)合材料的新型連接技術(shù)——微粒熱反應(yīng)連接

發(fā)布時(shí)間:2024-11-12 瀏覽:

據(jù)悉，慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新型材料連接技術(shù)——微粒熱反應(yīng)連接技術(shù)。通過微粒系統(tǒng)的熱反應(yīng)在幾秒內(nèi)產(chǎn)生高溫，使得塑料、金屬等產(chǎn)生熔融，形成連接縫。

異種材料的連接新技術(shù)

目前，異種材料的連接技術(shù)已成為輕量化新材料應(yīng)用的難點(diǎn)問題。特別是在熱連接中，由于材料的熱膨脹系數(shù)等熱物理特性不同，連接時(shí)需要的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力均不相同，這也造成了熱連接中的最大困難。新型熱連接技術(shù)可以利用微粒反應(yīng)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)將特定量的熱量釋放到接合區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)熱連接。

微粒熱反應(yīng)系統(tǒng)

微粒熱反應(yīng)體系由至少兩種能夠彼此反應(yīng)的組分組成，例如鎳和鋁（Ni + Al），鈦和硼（Ti + 2B）或鉑和鋁（Pt + Al）。反應(yīng)系統(tǒng)在被激活后將不斷釋放熱量，使得其可在沒有外部能源供應(yīng)的情況下持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，被稱為自蔓延高溫合成。

通常來說，反應(yīng)系統(tǒng)可分成多層系統(tǒng)和微粒。反應(yīng)性多層體系由10-100nm范圍內(nèi)的至少兩種金屬組分交替層組成，總厚度在20和100μm之間。具有核-殼結(jié)構(gòu)的顆粒和反應(yīng)性離析物的均勻粉末混合物。應(yīng)該指出的是，反應(yīng)性顆粒包括層狀和核-殼結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)顆粒本身都具有反應(yīng)性。與此相反，均勻的粉末混合物僅在整體上具有反應(yīng)性。反應(yīng)系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)將影響反應(yīng)速率，活化和最大燃燒溫度等因素。

熱反應(yīng)連接技術(shù)

鎳材料具有密度低，熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高、抗氧化、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，因此研究人員選擇鎳和鋁作為反應(yīng)系統(tǒng)的介質(zhì)。通過調(diào)整鎳與鋁的化學(xué)計(jì)量比，使得反應(yīng)系統(tǒng)可達(dá)到2083K 的溫度，從而實(shí)現(xiàn)熱連接。

如圖2所示，將反應(yīng)系統(tǒng)置于兩種材料的結(jié)合之處。通過外部能量輸入，在接合面上施加約0.1至50 MPa 的均勻分布壓力時(shí)，引發(fā)放熱反應(yīng)。然后從引發(fā)點(diǎn)處在體系內(nèi)層層擴(kuò)張，形成連接。

該系統(tǒng)的反應(yīng)速度可達(dá)到100 m/s，其最高的燃燒溫度只能持續(xù)幾毫秒。這意味著連接部件表面受到的熱能較小，對于部分金屬材料來說，難以熔化。因此，在連接過程中，連接件的表面需要用用焊接材料涂覆，該焊接材料在放熱反應(yīng)期間熔化形成牢固的接合。該方法適用于金屬、塑料、陶瓷復(fù)合材料等的連接。目前已成功用于半導(dǎo)體、車身結(jié)構(gòu)件、電子電器件等部位。然而，該系統(tǒng)的應(yīng)用成本較高。并且，由于材料的脆性，該系統(tǒng)僅適用于平面或略微彎曲的連接。

熱反應(yīng)微粒的合成

反應(yīng)顆粒最初是通過球磨機(jī)加工形成鋁和鎳金屬粉末，在將其結(jié)合成較大的團(tuán)簇，形成精細(xì)的層狀結(jié)構(gòu)。但由于金屬材料暴露在空氣中，且研磨過程有熱量產(chǎn)生，金屬粉末易發(fā)生氧化，形成氧化層，特別是鋁粉。雖然可采用在保護(hù)氣氛中研磨的方法，但需要復(fù)雜的系統(tǒng)技術(shù)和較高的成本。此外，研磨過程中相互沖擊和碰撞會(huì)引起顆粒的意外激活，研磨時(shí)間過長可能導(dǎo)致部分產(chǎn)品提前發(fā)生反應(yīng)。

由于存在氧化的風(fēng)險(xiǎn)，研究人員采用化學(xué)合成的方法，將鎳材料按一定的化學(xué)計(jì)量比沉積在鋁顆粒表面，形成核-殼結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)系統(tǒng)的激活

在系統(tǒng)激活時(shí)需要能量的輸入。一方面，要求能量均勻地施加在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中；另一方面，較快的反應(yīng)速度使得系統(tǒng)升溫速度也較快。因此，加熱爐等傳統(tǒng)能量輸入方法不太適用。研究人員嘗試了電磁輻射供能的方法，即使在反應(yīng)開始后也能允許能量輸入到系統(tǒng)中，從而能夠繼續(xù)控制反應(yīng)過程。除此之外，微粒之間還需要保證足夠的接觸，才能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。

小結(jié)

異種材料的連接，特別是塑料件與金屬件的連接是目前汽車輕量化材料連接技術(shù)中的難題。新型熱反應(yīng)連接技術(shù)提供了金屬與塑料件連接的新選擇。具有獨(dú)特核-殼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)微粒作為新的熱源，可實(shí)現(xiàn)金屬、塑料、甚至陶瓷材料的連接。目前，研究人員也在嘗試開發(fā)該系統(tǒng)在其他材料連接中的應(yīng)用，爭取早日實(shí)現(xiàn)微粒熱反應(yīng)連接技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。