我們前面一篇介紹了納米注塑成型技術(shù)和聚合物/金屬雜化（PMH）復(fù)合材料 的概念，后面我們就要展開試驗以獲取深入的了解。

2 實驗

2.1 材料

使用前，將鋁板切成 40×10×2 mm，并用 80 Grit 砂紙打磨去除氧化物。然后，將板用丙酮和乙醇清洗。聚苯硫醚 (PPS) ，在 140°C 下干燥 24 小時以除去水分。

2.2 鋁板表面處理及 PMH 的制備

電解液含有20wt%的H₂SO₄ 和80wt%的去離子水，Al板作為陽極，石墨片作為陰極。陽極氧化在 20°C 下在不同的電壓和攪拌時間下進(jìn)行。陽極氧化后，鋁板在 60°C 的烘箱中干燥 20 分鐘。然后，將板放入預(yù)先設(shè)計的模具中（圖 1) 并進(jìn)行注射。鋁腔由鋁板填充，陽極氧化區(qū)域面向注射腔，然后，聚合物通過注射口注入注射腔。由于聚合物的高壓和良好的流動性，它會在鍵合區(qū)域注入 Al表面的孔隙中，形成PMH。模具溫度設(shè)置為 60°C，機(jī)筒溫度設(shè)置為 280°C 。注射時間為 5 秒，壓縮時間為 20 秒。

圖1

注塑模具示意圖。

2.3 表征

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，JEOL JSM-7800F，日本）研究了鋁板表面納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)。工作電壓為60.0 kV ，電流為100.0 mA，掃描范圍為5-90°。制備SEM樣品時，采用精細(xì)研磨機(jī)（德國 Leica EM TXP）對PMH橫截面進(jìn)行精細(xì)研磨，盡量保留其原有的界面形貌，便于SEM觀察。界面的反應(yīng)通過傅里葉變換紅外光譜 (FT-IR)（PerkinElmer Spectrum 3，美國）進(jìn)行，光譜分辨率為 2 cm ^-1，波數(shù)區(qū)域為 400–4,000 cm ^-1帶 ATR 紅外光譜模具。樹脂的熱力學(xué)行為通過差示掃描量熱儀 (DSC, 204 F1 Phoenix, Germany) 表征。鋁板與PPS的結(jié)合強(qiáng)度采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)（UTM4104X，歐貝特[山東 ]檢測設(shè)備有限公司，中國）進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁合金板材表面形貌

根據(jù)陽極氧化鋁的生長機(jī)制，電壓和陽極氧化持續(xù)時間對孔徑和深度起著關(guān)鍵作用。研究了電壓和時間對陽極氧化鋁表面形貌的影響。從圖2a-c可以看出，表面納米孔e隨著陽極氧化時間的增加而增加。在 15 V電壓下，陽極氧化1.5 h后孔隙呈納米級，而陽極氧化6 h后孔隙增加為微孔隙。微孔有利于制備 PMH 。隨著時間的延長，毛孔塌陷（圖 2d). 這主要是因為在陽極氧化過程中，氣體會沉積在金屬表面的阻擋層上，因此會不斷產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)時間繼續(xù)增加時，電解質(zhì)中的電子將轉(zhuǎn)移到陽極，其擊穿將導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的一些破壞 。此外，隨著陽極氧化時間的增加，氧化層厚度增加，氧化層變脆，會降低金屬基體的強(qiáng)度。電壓對孔徑具有相同的影響。如圖 2e和f所示，增加電壓使孔隙結(jié)構(gòu)迅速坍塌。在陽極氧化過程中，隨著電壓的升高，這種能量平衡會被破壞，從而導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的破壞。

圖 2

陽極氧化后鋁板的表面形貌。(a) 清洗后的鋁板，(b–d) 鋁板在 15 V 下陽極氧化 1.5、6 和 8 小時， (e 和 f) 鋁板分別在 20 和 25 V 下陽極氧化 6 小時。

3.2 PMH的結(jié)合強(qiáng)度

采用微型注塑機(jī)制備上述制備方法制備的鋁合金基體與PMH，并通過拉伸試驗測試其結(jié)合強(qiáng)度。圖 3a是 PMH 樣品的數(shù)碼照片和示意圖。為保證拉力測試時兩端受力均勻，在裸金屬端放置墊片（圖3b）。試驗時不輸入花鍵的厚度、寬度、標(biāo)距，以最大力值表示抗拉強(qiáng)度。

圖 3

拉伸測試的數(shù)碼照片：(a) PMH 樣品和示意圖以及 (b) 測試夾具。

拉伸試驗結(jié)果如圖4所示?？梢姼叩碾妷汉透L的陽極氧化時間有利于提高PMH的結(jié)合強(qiáng)度。拋光和清洗后，PPS 很難與鋁板結(jié)合，這種現(xiàn)象在鋁板在15 V電壓下陽極氧化1.5和4.0小時的 PMH中一直存在。隨著 15 V 陽極氧化時間的進(jìn)一步增加，PMH 的結(jié)合強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。PMH 在 15 V 電壓下陽極氧化 6 小時，產(chǎn)生的最大結(jié)合強(qiáng)度為 1,543 N。然而，當(dāng)陽極氧化時間進(jìn)一步增加到 8 小時時，結(jié)合強(qiáng)度下降到 810 N。根據(jù)陽極氧化理論，陽極氧化時間與孔隙深度呈正相關(guān)，并且在 PMH 中作為連接樹脂的錨。陽極氧化電壓對金屬表面的孔隙結(jié)構(gòu)也起著重要作用。將電壓增加到 20 和 25 V 時，孔隙塌陷，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低（圖 4a）。圖 4b 顯示了 PMH 的不同斷裂模式，表明了組分材料強(qiáng)度和界面結(jié)構(gòu)對 PMH 結(jié)合強(qiáng)度的影響。對于相對光滑的表面，PPS 幾乎不能粘附在鋁板上，弱的結(jié)合強(qiáng)度導(dǎo)致金屬和樹脂完全分離。對于結(jié)合強(qiáng)度高的PMH，它在PPS體或Al 板表面斷裂。適當(dāng)?shù)目捉Y(jié)構(gòu)允許 PMH 具有良好的錨固結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致高結(jié)合強(qiáng)度。然而，過度的陽極氧化會使氧化層變厚，從而在拉伸試驗中導(dǎo)致鋁板上的氧化層剝落。

圖 4

拉伸測試結(jié)果：(a) 粘合強(qiáng)度結(jié)果和 (b) 拉伸測試后的 PMH 樣品。

【譯自：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ntrev-2022-0120/html 】