慕尼黑工業大學研發出復合材料的新型連接技術——微粒熱反應連接

　　

　　異種材料的連接新技術

　　

　　目前，異種材料的連接技術已成為輕量化新材料應用的難點問題。特別是在熱連接中，由于材料的熱膨脹系數等熱物理特性不同，連接時需要的熱應力和機械應力均不相同，這也造成了熱連接中的最大困難。新型熱連接技術可以利用微粒反應系統在短時間內將特定量的熱量釋放到接合區，從而實現熱連接。

　　

　　微粒熱反應系統

　　

　　微粒熱反應體系由至少兩種能夠彼此反應的組分組成，例如鎳和鋁（Ni + Al），鈦和硼（Ti + 2B）或鉑和鋁（Pt + Al）。反應系統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的情況下持續進行反應，被稱為自蔓延高溫合成。

　　

 

　　通常來說，反應系統可分成多層系統和微粒。反應性多層體系由10-100nm范圍內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-殼結構的顆粒和反應性離析物的均勻粉末混合物。應該指出的是，反應性顆粒包括層狀和核-殼結構，并且每個顆粒本身都具有反應性。與此相反，均勻的粉末混合物僅在整體上具有反應性。反應系統的固有結構將影響反應速率，活化和最大燃燒溫度等因素。

　　

　　熱反應連接技術

　　

　　鎳材料具有密度低，熔點高，強度高、抗氧化、耐腐蝕性好等特點，因此研究人員選擇鎳和鋁作為反應系統的介質。通過調整鎳與鋁的化學計量比，使得反應系統可達到2083K 的溫度，從而實現熱連接。

　　

 

　　如圖2所示，將反應系統置于兩種材料的結合之處。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，引發放熱反應。然后從引發點處在體系內層層擴張，形成連接。

　　

　　該系統的反應速度可達到100 m/s，其最高的燃燒溫度只能持續幾毫秒。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期間熔化形成牢固的接合。該方法適用于金屬、塑料、陶瓷復合材料等的連接。目前已成功用于半導體、車身結構件、電子電器件等部位。然而，該系統的應用成本較高。并且，由于材料的脆性，該系統僅適用于平面或略微彎曲的連接。

　　

　　熱反應微粒的合成

　　反應顆粒最初是通過球磨機加工形成鋁和鎳金屬粉末，在將其結合成較大的團簇，形成精細的層狀結構。但由于金屬材料暴露在空氣中，且研磨過程有熱量產生，金屬粉末易發生氧化，形成氧化層，特別是鋁粉。雖然可采用在保護氣氛中研磨的方法，但需要復雜的系統技術和較高的成本。此外，研磨過程中相互沖擊和碰撞會引起顆粒的意外激活，研磨時間過長可能導致部分產品提前發生反應。

　　

　　由于存在氧化的風險，研究人員采用化學合成的方法，將鎳材料按一定的化學計量比沉積在鋁顆粒表面，形成核-殼結構。

　　

　　

　　在系統激活時需要能量的輸入。一方面，要求能量均勻地施加在整個系統結構中；另一方面，較快的反應速度使得系統升溫速度也較快。因此，加熱爐等傳統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，即使在反應開始后也能允許能量輸入到系統中，從而能夠繼續控制反應過程。除此之外，微粒之間還需要保證足夠的接觸，才能實現反應的連續進行。

　　

　　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中的難題。新型熱反應連接技術提供了金屬與塑料件連接的新選擇。具有獨特核-殼結構的反應微粒作為新的熱源，可實現金屬、塑料、甚至陶瓷材料的連接。目前，研究人員也在嘗試開發該系統在其他材料連接中的應用，爭取早日實現微粒熱反應連接技術的工業化應用。