【原】《Composites：Part B》：适用于热塑性复合材料电阻焊接工艺的界面增强方法研究

（翻译整理：李学宽  编辑校对：张鑫）

电阻焊接工艺凭借生产周期短、生产成本低和自动化水平高等优势，为热塑性复合材料生产和装配效率的进一步提升提供了可能性。其中采用不锈钢网作为加热元件的电阻焊接工艺具有更均匀的热量分布，受到许多研究人员的青睐。然而，搭接剪切试样的断面观测表明，不锈钢网/热塑性树脂基体界面处经常发生破坏，焊接区域的界面结合性能对焊接件的机械性能起决定性作用。因此，针对塑性复合材料电阻焊接工艺中不锈钢网/树脂基体界面增强方法的研究受到越来越多的关注。

加拿大CREPEC中心的Vincent Rohart（第一作者）、Martine Dube教授（通讯作者）团队在《Composites：Part B》上发表了题为“Improved adhesion between stainless steel heating element and PPS polymer in resistance welding of thermoplastic composites”的文章，通过在不锈钢网表面涂覆基于硅烷偶联剂的涂层，从表面形貌及元素分析、界面张力测试、力学性能测试、断面形貌分析等各方面评估了改性不锈钢网/树脂基体的界面性能及其对焊接强度的影响。

硅烷偶联剂与不锈钢网表面氧化物的反应机理如图1所示。烷氧基水解后形成的羟基可以与相邻分子的羟基缩合，形成的低聚物通过氢键与不锈钢网表面结合， 最后通过热交联在硅氧烷网络和不锈钢网表面之间形成共价键。

图1 涂层涂覆机理

（a）硅烷偶联剂的水解；（b）不锈钢网表面上的缩合及交联

涂层涂覆试样和未涂覆试样均采用图2所示焊接设备进行电阻焊接。不同工艺参数改性不锈钢网在水中的接触角如图3所示。结果表明，酸蚀处理会使不锈钢网表面活化，氧化处理和涂覆涂层后重新变为惰性表面，酸浓度和氧化时间的变化对涂覆效果影响不明显。

图2 电阻焊接设备示意图（左）和实物图（右）

图3 不同工艺参数改性不锈钢网在水中的接触角

搭接剪切试验结果如图4所示，结果表明采用最佳工艺（参数F）涂层涂覆处理后试样的搭接剪切强度提高了32%，基于DoE方法分析不同工艺参数对力学性能的影响，发现氧化时间、溶液PH值和溶剂种类为显著性因素。

图4 不同工艺参数改性不锈钢网试样的搭接剪切强度

未改性不锈钢网和改性不锈钢网（参数F）试样搭接剪切强度测试后的断裂形貌对比如图5所示，结果表明，未改性试样的破坏主要发生在不锈钢网/树脂基体界面处，且不锈钢网表面几乎没有残留树脂；改性（参数F）试样的破坏主要发生在纤维/树脂基体界面处，说明改性不锈钢网/树脂基体界面得到显著增强。

图5 未改性不锈钢网和改性不锈钢网（参数F）试样焊接区域的断裂形貌

未改性不锈钢网和改性不锈钢网（参数P、F、O）试样DCB测试后的断裂形貌对比如图6所示，结果表明，未改性试样和失败改性试样（参数P）的破坏模式主要为钢片/复合材料界面破坏，成功改性试样（参数F、O）的破坏模式主要为包含了纤维撕裂的混合破坏，说明成功改性不锈钢网/树脂基体界面的增强导致破坏模式发生变化。

图6 未改性不锈钢网和改性不锈钢网（参数P、F、O）试样DCB测试的断裂形貌

这项研究通过涂覆基于硅烷偶联剂的涂层对不锈钢加热元件进行改性，增强了不锈钢网/树脂基体界面，使电阻焊接试样的搭接剪切强度提升32%。后续研究将着重于该改性方法对焊接件潮湿环境服役性能的影响研究。

参考文献：Vincent Rohart, Louis Laberge Lebel, Martine Dube. Improved adhesion between stainless steel heating element and PPS polymer in resistance welding of thermoplastic composites [J]. Composites Part B Engineering, 2020, 188:107876.

（感谢李学宽同学投稿！）

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