【学术前沿】太原科技大学李岩教授Polymer Composites:工艺参数与碳纳米管对复合材料接头的影响
全球能源与气候问题推动轻量化结构发展，碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6）复合材料凭借轻质、高强、高刚性、耐腐蚀的优势，成为金属替代材料的核心选择。热熔接无机械连接的应力集中/分层问题、无胶接的长固化周期，其中电阻焊因工艺简单、灵活、加工时短、无需表面处理、经济性高，成为热塑性复合材料优选连接方式。碳纳米管（CNTs）可提升复合材料界面结合性能，本文采用火焰法在不锈钢网加热元件表面生长CNTs。针对上述挑战,太原科技大学李岩教授研究团队探讨了通过电阻焊接实验，研究了工艺参数和加热元件（HE）对碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6）复合材料焊接强度的影响。采用不锈钢网作为加热元件进行CF/PA6复合材料焊接。使用万能试验机测试焊缝的力学性能，并通过扫描电子显微镜（SEM）分析接头的内部结构和断裂情况，从而确定了焊接CF/PA6复合材料的最佳参数。此外，金属网表面碳纳米管的生长显著提高了焊接强度，从14.016MPa提升至16.31MPa。实验结果表明，最佳参数包括22A电流、0.3 MPa压力和35秒焊接时间，金属网加热元件的最佳规格为200目。金属网的烧蚀时间为10秒，最佳酸洗时间为30秒。相关论文以“The influence of process parameters and carbon nanotubes on composite material joints ”为题，发表Polymer COMPOSITES上。CF/PA6复合材料电阻焊最优工艺参数被团队精准确定
研究团队采用正交试验法，系统探究焊接电流、焊接时间、焊接压力、不锈钢网目数四大关键参数对接头剪切强度的影响，最终明确CF/PA6复合材料电阻焊最优工艺组合：焊接电流22A、焊接时间35s、焊接压力0.3MPa、加热元件选用200目304不锈钢网。通过超景深显微镜与SEM观测发现，该参数下热量输入适中，PA6基体熔融流动性达到最佳状态，可充分浸润不锈钢网的网孔结构；而参数偏离最优值时，热量不足会导致基体流动差、界面结合弱，热量过量则引发基体热降解，均会大幅降低接头力学性能。这一结论为CF/PA6复合材料电阻焊的工业化生产提供了精准的工艺参考。图1|CF/PA6焊接接头主效应图揭示接头缺陷分布规律
研究团队通过SEM对接头截面进行微观分析，首次明确了CF/PA6电阻焊接头的缺陷分布特征：受电阻焊加热不均与边缘树脂挤压效应影响，接头边缘区域孔洞、空隙缺陷远多于中心区域，且PA6基体对不锈钢网的润湿性较差，金属丝局部裸露、界面空隙多是接头强度偏低的核心原因。针对这一问题，团队创新提出在不锈钢网两侧添加0.1mm厚PA6薄膜构建富树脂区的解决方案，熔融的PA6薄膜可完全填充不锈钢网植入带来的内部空隙，大幅提升界面结合力。实验数据显示，该方案使接头剪切强度从14.07MPa提升至29.46MPa，成功解决了接头内部缺陷导致的强度衰减问题，为热塑性复合材料焊接缺陷调控提供了新思路。图2|CF/PA6焊接接头横截面的微观特征。(A)接头边缘部分；(B)接头中心部分。优化CNTs火焰生长与纯化工艺，显著提升焊接强度
为进一步提升树脂与金属网的界面润湿性，研究团队自主优化火焰法CNTs生长工艺，在不锈钢网表面原位生长CNTs，并针对火焰法产物杂质多的问题，开发了H₂O₂氧化+盐酸酸洗的高效纯化流程。团队通过EDS与超声无损检测验证：燃烧时间10min、盐酸酸洗30s为最优CNTs改性工艺，可有效去除无定形碳、金属催化剂颗粒及金属氧化物杂质，减少接头内部缺陷；CNTs改性后不锈钢网表面能显著提升，树脂对金属网的包覆更紧密，接头剪切强度从14.07MPa提升至16.31MPa。而酸洗时间过长（60s）会生成金属氯化物杂质，反而加剧缺陷、降低强度。该研究完善了CNTs改性金属加热元件的制备工艺，为纳米材料增强复合材料焊接接头提供了可靠技术路径。图3|超声波无损检测图总结与展望
本研究深入探讨了CF/PA6复合材料电阻焊接参数的优化，揭示了这些参数对接头性能的显著影响。通过正交实验确定了最佳参数：焊接电流为22A、焊接时间为35秒、焊接压力为0.3MPa、网目数为200。利用超景深显微镜，研究了不同焊接强度下尼龙基体与金属丝网之间的粘接差异，并通过扫描电子显微镜（SEM）对最佳粘接样品进行了进一步观察。研究发现，焊接强度的变化会导致粘接性能的显著差异，主要源于热输入的差异。较低的热输入会导致尼龙基体流动性不足，阻碍其有效渗透至金属丝网中。此外，SEM观察显示树脂基体在接头边缘与中心处对金属丝网的包覆存在明显差异，这归因于边缘区域的加热不均及树脂基体挤出效应。该研究通过在金属网表面生长碳纳米管成功解决了焊接接头的内部缺陷，显著提升了搭接剪切强度。EDS分析研究了烧结时间与杂质去除工艺的影响，发现延长烧结时间会导致金属网表面形成过量非晶碳及氧化物，超出催化剂承载能力并对剪切强度产生负面影响。杂质去除工艺有效消除了这些缺陷，改善了内部结构并增强了剪切强度。
