寧波材料所在CFRTP/金屬激光連接技術(shù)研究中取得進(jìn)展

　　碳纖維熱塑性復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermal Polymers, 以下簡稱CFRTP）是一種高性能新型材料，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐熱性好等特點(diǎn)，在汽車輕量化、無人機(jī)制造、航空航天、國防軍工上有著良好的應(yīng)用前景。CFRTP在應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到與金屬異質(zhì)材料的連接問題，如飛機(jī)CFRTP蒙皮、功能件與鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接，輕量化汽車CFRTP車身覆蓋件與金屬結(jié)構(gòu)件的連接等。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)件最薄弱的部分往往是CFRTP與金屬連接接頭部位，接頭的質(zhì)量將直接決定著異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和使用壽命。因此，實(shí)現(xiàn)CFRTP與金屬高質(zhì)量的連接是其工程化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　當(dāng)前CFRTP最常用的連接方法有機(jī)械連接、膠結(jié)、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基體材料熱塑性樹脂二次熔融的特點(diǎn)，通過加熱熔融連接界面，使樹脂分子擴(kuò)散完成連接。該方法連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于膠結(jié)方法，連接件的應(yīng)力分布比機(jī)械連接更均勻，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且焊接工藝時(shí)間短，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、振動(dòng)應(yīng)力小、適合焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢，在CFRTP的焊接上具有良好的應(yīng)用前景。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬先進(jìn)制造技術(shù)所激光與智能能量場制造團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)深圳研究院合作，針對CFRTP/金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光連接技術(shù)進(jìn)行了研究。通過建立CFRTP-金屬激光直接連接數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了焊接過程熱效應(yīng)的仿真，以及熔寬、熔深及熱損傷的預(yù)測；對連接接頭組織表征分析，發(fā)現(xiàn)接頭處氣泡的存在導(dǎo)致應(yīng)力集中并產(chǎn)生微裂紋，成為接頭失效的主要原因，并對氣泡的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究（《電加工與模具》，2015，6:6-31）；通過工藝創(chuàng)新，利用激光熔融填充樹脂方法可顯著提高CFRTP/金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度（發(fā)明專利：201510014414.4）。相關(guān)研究被評為“第十六屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議”大會(huì)優(yōu)秀論文（2015，11月1-3日，廈門，華僑大學(xué)），并在國際會(huì)議上報(bào)告（International Congress on Applications of Lasers & Electro–Optics, October 18-22, 2015, Atlanta, GA, USA），得到國內(nèi)外同行的關(guān)注。

　　該項(xiàng)目得到寧波市自然科學(xué)基金（2015A610078）、深圳市基礎(chǔ)研究布局項(xiàng)目（JCYJ20150529162228734）的支持。