【学术前沿】太原科技大学李岩教授Polymer Composites:通过偶联剂改性金属加热元件增强碳纤维/聚己内酰胺热塑性复合材料的电阻焊强度
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。针对上述挑战，太原科技大学李岩教授研究团队探讨了偶联剂改性电阻焊加热元件对碳纤维增强聚酰胺6（PA6）热塑性复合材料焊接强度的影响。采用硅烷偶联剂KH550和钛酸酯偶联剂UP-201对304不锈钢网制成的加热元件进行改性。通过正交实验确定KH550改性不锈钢网（SSM）的最佳改性参数，在特定焊接条件下可获得最大单层剪切强度（LSS）达17.05 MPa。对比试验表明UP-201改性 SSM 对LSS 具有增强作用。此外，采用两种实验方案研究KH550与UP-201对电阻焊接头 LSS 的协同增强效应。研究结果表明两种偶联剂均能提升焊接强度，其单独及联合效应存在显著差异。相关论文以“Enhancing resistance welding strength of carbon fiber/polycaprolactam thermoplastic composites through coupling agent-modified metal heating elements”为题，发表Polymer COMPOSITES上。单偶联剂改性实现金属—树脂界面化学键合，KH550改性效果显著占优
研究团队通过系统表征证实，硅烷偶联剂KH550与钛酸酯偶联剂UP-201均能与304不锈钢网（SSM）表面羟基发生化学缩合反应，分别在金属表面形成稳定的Si-O-Fe共价键与Ti-O-Fe共价键，实现偶联剂分子的化学接枝。其中KH550经热交联处理后，可在不锈钢网表面形成连续致密的硅氧烷网络结构，大幅优化金属与树脂的界面相容性；经正交试验优化工艺参数后，KH550改性不锈钢网（sSSM）作为加热元件时，CF/PA6复合材料焊接接头单搭接剪切强度（LSS）达到17.05MPa，较未改性接头提升46%。相比之下，UP-201改性仅使接头强度提升11.8%，KH550凭借硅氧烷网络的结构优势，成为单偶联剂改性的最优选择，为金属加热元件的单剂改性提供了明确的工艺与材料选型依据。图1|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。分步协同改性（KH550→UP-201）构建多元界面键合体系，实现焊接强度最大化
为融合KH550硅氧烷网络的结构稳定性与UP-201长链分子的强范德华力优势，研究团队创新设计混合共改性（stSSM(m)）与分步改性（stSSM(o)）两种双偶联剂协同方案。表征结果显示，分步改性时UP-201可与KH550水解生成的羟基进一步发生缩合反应，在金属表面生成Si-O-Ti键，形成“硅氧烷网络+有机长链”的复合界面层，兼具界面结构稳定性与树脂基体相容性。该方案制备的stSSM(o)使焊接接头剪切强度达到17.95MPa，较未改性接头提升53.9%，较KH550单剂改性再提升17.9%，是本研究中最优改性策略。该结果首次证实了双偶联剂分步改性在电阻焊接加热元件表面改性中的协同增效作用，为热塑性复合材料焊接界面强化提供了全新技术路径。图2|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)。偶联剂改性逆转接头断裂模式，界面结合强度实现根本性提升
研究团队通过断口形貌分析发现，未改性不锈钢网的焊接接头在剪切测试中呈现层间脱粘断裂，金属网与树脂基体完全分离，界面无有效载荷传递能力；经偶联剂改性后，接头断裂模式彻底转变为层内失效，不锈钢网被树脂基体紧密包裹，无明显界面分离现象。这一转变源于偶联剂在金属与树脂之间构建了“无机金属网-偶联剂-有机树脂”的过渡键合层，实现了界面结合力的质的提升，有效抑制了层间脱粘，直接支撑了焊接接头强度的大幅提高。该结论明确了偶联剂改性调控接头断裂行为的核心机理，为评估焊接接头界面质量提供了直观的形貌判定依据。图3|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。总结与展望
通过全面表征和测试KH550与UP-201改性前后的SSM材料，并结合以金属网作为加热元件制备的电阻焊接头剪切强度评估，本研究探讨了偶联剂改性加热元件对电阻焊接头性能的影响。结果表明，KH550和UP-201与SSM表面发生化学反应，形成SiOFe和TiOFe键合结构。干燥处理后，KH550在SSM表面形成硅氧烷网络结构，显著提升sSSM作为电阻焊加热元件的性能，其效果优于tSSM。为充分利用KH550在SSM表面形成的硅氧烷网络结构特性，结合UP-201长分子链与树脂基体间更强的范德华力，本研究采用两种实验方案探究KH550与UP-201的协同增强效应。XPS表征显示实验制备的stSSM(o)表面存在SiO-Ti键合结构，能谱分析（EDS）表明特定区域存在Ti-Si元素分布重叠现象。这证实KH550和UP-201在SSM表面发生缩合反应，拉伸试验测得接头LSS值达17.95MPa，表明抗拉强度获得显著提升。
