据悉,慕尼黑工业大学研究人员开发出一种新型材料连接技术——微粒热反应连接技术。通过微粒系统的热反应在几秒内产生高温,使得塑料、金属等产生熔融,形成连接缝。

异种材料的连接新技术

目前,异种材料的连接技术已成为轻量化新材料应用的难点问题。特别是在热连接中,由于材料的热膨胀系数等热物理特性不同,连接时需要的热应力和机械应力均不相同,这也造成了热连接中的最大困难。新型热连接技术可以利用微粒反应系统在短时间内将特定量的热量释放到接合区,从而实现热连接。

微粒热反应系统

微粒热反应体系由至少两种能够彼此反应的组分组成,例如镍和铝(Ni + Al),钛和硼(Ti + 2B)或铂和铝(Pt + Al)。反应系统在被激活后将不断释放热量,使得其可在没有外部能源供应的情况下持续进行反应,被称为自蔓延高温合成。

慕尼黑工业大学研发出复合材料的新型连接技术——微粒热反应连接-复合材料网

通常来说,反应系统可分成多层系统和微粒。反应性多层体系由10-100nm范围内的至少两种金属组分交替层组成,总厚度在20和100μm之间。具有核-壳结构的颗粒和反应性离析物的均匀粉末混合物。应该指出的是,反应性颗粒包括层状和核-壳结构,并且每个颗粒本身都具有反应性。与此相反,均匀的粉末混合物仅在整体上具有反应性。反应系统的固有结构将影响反应速率,活化和最大燃烧温度等因素。

热反应连接技术

镍材料具有密度低,熔点高,强度高、抗氧化、耐腐蚀性好等特点,因此研究人员选择镍和铝作为反应系统的介质。通过调整镍与铝的化学计量比,使得反应系统可达到2083K 的温度,从而实现热连接。

慕尼黑工业大学研发出复合材料的新型连接技术——微粒热反应连接-复合材料网
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如图2所示,将反应系统置于两种材料的结合之处。通过外部能量输入,在接合面上施加约0.1至50 MPa 的均匀分布压力时,引发放热反应。然后从引发点处在体系内层层扩张,形成连接。

该系统的反应速度可达到100 m/s,其最高的燃烧温度只能持续几毫秒。这意味着连接部件表面受到的热能较小,对于部分金属材料来说,难以熔化。因此,在连接过程中,连接件的表面需要用用焊接材料涂覆,该焊接材料在放热反应期间熔化形成牢固的接合。该方法适用于金属、塑料、陶瓷复合材料等的连接。目前已成功用于半导体、车身结构件、电子电器件等部位。然而,该系统的应用成本较高。并且,由于材料的脆性,该系统仅适用于平面或略微弯曲的连接。

热反应微粒的合成

反应颗粒最初是通过球磨机加工形成铝和镍金属粉末,在将其结合成较大的团簇,形成精细的层状结构。但由于金属材料暴露在空气中,且研磨过程有热量产生,金属粉末易发生氧化,形成氧化层,特别是铝粉。虽然可采用在保护气氛中研磨的方法,但需要复杂的系统技术和较高的成本。此外,研磨过程中相互冲击和碰撞会引起颗粒的意外激活,研磨时间过长可能导致部分产品提前发生反应。

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由于存在氧化的风险,研究人员采用化学合成的方法,将镍材料按一定的化学计量比沉积在铝颗粒表面,形成核-壳结构。

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反应系统的激活

在系统激活时需要能量的输入。一方面,要求能量均匀地施加在整个系统结构中;另一方面,较快的反应速度使得系统升温速度也较快。因此,加热炉等传统能量输入方法不太适用。研究人员尝试了电磁辐射供能的方法,即使在反应开始后也能允许能量输入到系统中,从而能够继续控制反应过程。除此之外,微粒之间还需要保证足够的接触,才能实现反应的连续进行。

小结

异种材料的连接,特别是塑料件与金属件的连接是目前汽车轻量化材料连接技术中的难题。新型热反应连接技术提供了金属与塑料件连接的新选择。具有独特核-壳结构的反应微粒作为新的热源,可实现金属、塑料、甚至陶瓷材料的连接。目前,研究人员也在尝试开发该系统在其他材料连接中的应用,争取早日实现微粒热反应连接技术的工业化应用。