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    为何金属与树脂能够强力接合?

          近日,日本产业技术综合研究所(产综研)纳米材料研究部门的堀内伸在日经BP社主办的研讨会“设计革新的关键 异种材料接合及粘合”上发表演讲,介绍了最近在能够高强度接合金属与树脂的机理等方面获得的新知识。这些都是在为了更容易评估接合界面而改进实验的过程中获得的成果。以评估接合界面为目的、2015年7月被确立为ISO(国际标准化组织)标准(ISO19095)的“塑料-树脂-金属复合体的接合界面特性的评测方法”是由日本提出的,堀内伸参与了日本方面为了获取支持该标准的相关数据而开展的实验。在利用化学药品处理金属表面,并通过嵌入成型等来接合树脂的技术方面,接合后的试样在做拉伸试验时,非界面的树脂的母材大多会破损。尽管这表明接合强度相当大,但其中还有很多问题并不清楚,例如接合本身的强度究竟有多大,界面是在什么情况下破损的,等等。树脂本身的拉伸强度本应超过100MPa,而试验样片却往往在40MPa左右即发生破损,因此也不能说接合强度一定比树脂强度高。于是,作为能够更准确测评接合界面的实验方法,ISO19095对试验样片的形状作了规定,包括减小接合面积等。堀内通过使用这样的试验样片进行实验,查明了接合界面附近的破损情况。实验表明,树脂无间隙地进入了金属表面经化学药品处理所形成的数十微米大小的孔洞,这些树脂在破损时未脱落。断裂的是极其靠近界面的树脂部分。也就是说,能够观察到较强的锚固效应。另外,堀内还讲解了嵌入成型时树脂为何会进入微细孔洞。对于铜与聚苯硫醚(PPS)接合而成的试验样片,堀内使用扫描型透射电子显微镜(STEM)研究了接合界面附近的元素构成和结合状态,发现了一价的氧化铜(Cu2O)。铜表面的氧化物薄膜通常为二价(CuO),一价的铜是在接合时产生的。估计PPS在接触到铜表面的氧化膜时,发生了从氧化膜中夺走氧的反应,由此获得了能让树脂进入微细孔洞的能量。而以前一直未能查明微细孔洞前端残留有空间、未完全被树脂填满的原因。而与此形成对照的是,在对铝合金表面实施阳极氧化处理、使树脂与之结合时,却发现树脂在进入氧化膜表面生成的微细孔洞时,有时只进入到一半就停止了。估计其原因是未发生能产生足够能量的化学反应,能量不足以使树脂完全填满孔洞。

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