碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6）热塑性复合材料可反复熔融成型，在航空、汽车、体育器材等领域应用广泛，仍需可靠、自动化、低成本的连接技术；电阻焊设备简单、流程短，304不锈钢网（SSM）加热元件发热更均匀稳定，是热塑性复合材料优质连接方式。树脂基体对SSM润湿性差，焊接接头易发生层间脱粘，界面性能差；偶联剂改性可高效解决界面问题，硅烷KH550、钛酸酯UP-201改性SSM用于电阻焊的研究存在空白；探究两种偶联剂单独/协同改性SSM对CF/PA6电阻焊剪切强度的影响及改性机理。
本研究成果《Enhancing resistance welding strength of carbon fiber/polycaprolactam thermoplastic composites through coupling agent-modified metal heating elements》由太原科技大学李岩/刘思远团队发表于国际期刊Polymer Composites。
论文链接:
https://doi.org/10.1002/pc.29192
实验核心
本实验以碳纤维增强聚酰胺6为基材、304不锈钢网为电阻焊加热元件，采用KH550与UP-201对不锈钢网进行单独及协同改性，固定焊接参数后，通过多类表征分析改性效果，测试接头剪切强度并观察断裂模式，揭示偶联剂改性提升焊接强度的机理。
图1 电阻焊示意图
核心结果与分析
1.SSM与KH550改性sSSM表征：FT-IR出现Si-O-Si、N-H特征峰，XPS证实Si-O-Fe化学键生成，Si元素均匀分布，验证KH550成功接枝，改性后疏水性提升。
图2 SSM与sSSM的表面表征。(A)SSM与sSSM的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)；(B)SSM与sSSM的XPS光谱；(C)SSM的C1s光谱；(D)sSSM的C1s光谱；(E)SSM的Si2p光谱；(F)sSSM的Si2p光谱
2.SSM与UP-201改性tSSM表征：FT-IR检出Fe-O-Ti、Ti-O-C峰，XPS出现Ti2p特征峰，确认UP-201化学接枝，表面Ti元素分布均匀。
图3 SSM与tSSM的表面表征。(A)原始SSM与tSSM的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)；(B)SSM与tSSM的XPS光谱；(C)SSM的O1s光谱；(D)tSSM的O1s光谱
3.协同改性XPS谱：分步改性stSSM(o)出现Si-O-Ti键，证明KH550与UP-201发生缩合反应，界面结合更稳定。
图4 XPS光谱。(A)XPS光谱sSSM、tSSM及stSSM(m)；(B)XPS光谱sSSM、tSSM及stSSM(o)；(C)stSSM的Si2p光谱(o)；(D)stSSM表面改性机理(O)
4.stSSM(o)元素分布与接触角：Ti、Si元素部分重叠分布，接触角降至77.91°，润湿性与PA6基体匹配度最优。
图5 SSM与stSSM(O)的表面元素分布及接触角。(A)stSSM(O)中Ti元素分布；(B)stSSM(O)中Si元素分布；(C)SSM的水接触角；(D)stSSM(O)的水接触角
5.接头断口对比：未改性接头为层间脱粘，改性后转为层内失效，不锈钢网被树脂紧密包裹，界面强度大幅提升。
图6耦合剂改性前后的焊接接头对比图。(A)未使用耦合剂时的宏观接头断裂面；(B)使用KH550时的宏观接头断裂面；(C)使用UP-201时的宏观接头断裂面；(D)同时使用KH550与UP-201时的宏观接头断裂面；(E)未使用耦合剂时的接头断裂面扫描电镜图像；(F)使用KH550时的接头断裂面扫描电镜图像。
研究结论
1.硅烷偶联剂KH550与钛酸酯偶联剂UP-201均可与304不锈钢网发生化学反应，分别形成Si-O-Fe、Ti-O-Fe化学键，有效改善界面结合，提升CF/PA6复合材料电阻焊强度。
2.两种偶联剂分步协同改性（先KH550接枝、再UP-201改性）效果最优，接头剪切强度达17.95MPa，较未改性提升53.9%，优于单独改性与混合协同改性。
3.偶联剂改性使焊接接头断裂模式从层间脱粘转为层内失效，不锈钢网与树脂基体包覆更紧密，界面受力与结合性能显著提升。
首次采用硅烷KH550与钛酸酯UP-201单独/协同改性不锈钢网加热元件，填补热塑性复合材料电阻焊加热元件偶联剂改性的研究空白。
探明分步协同改性的界面强化机理，形成Si-O-Ti化学键，接头剪切强度较未改性提升53.9%，强化效果显著优于单独改性。
偶联剂改性使接头断裂模式由层间脱粘转为层内失效，为碳纤维/聚酰胺复合材料电阻焊的界面优化提供实用技术方案。
本文发表于微信公众号“焊接科学”
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