通过原位聚合技术实现热塑性复合材料与金属的层间粘合

热塑性纤维金属层压板 (TP-FML) 将薄金属板和纤维增强复合材料集成在一起，提供了复合材料的优异特性以及金属的延展性。此类 FML 的典型示例包括玻璃纤维/铝、芳纶纤维/铝和碳纤维/铝，它们引起了广泛的兴趣。

纤维金属层压板 (FML) 具有聚合物复合材料的优异特性（即重量轻、强度和刚度高）以及金属的延展性和断裂强度。复合材料和金属这两种不同材料之间的结合强度决定了 FML 的特性和性能。当聚合物基体本质上是热塑性和疏水性时，键合变得更加重要。

该研究在热塑性复合材料和金属层之间采用了一种新颖的粘合技术，使用了六种不同的有机涂层组合。研究了热塑性纤维金属层合板(TP-FMLs)的弯曲和层间剪切强度，以研究不同情况下的粘结强度以及通过扫描电子显微镜从测试样品中发现的断裂特征。采用动态力学热分析方法对所制备的TP-FML 的粘弹性性能进行了研究。

许多研究已经研究了主要通过预浸料/高压釜技术制造的环氧基纤维-金属层压板的机械性能。实验结果表明，这种混合层压板的损伤阈值能量明显高于传统工程材料的损伤阈值能量。最近，高压釜外真空辅助树脂传递模塑 (VARTM) 已被证明是一种使用热固性环氧树脂制造 FML 的成功技术。尽管具有优异的性能，但热固性 FML 具有一些明显的缺点，例如层间剪切强度低以及与可修复性和可回收性相关的挑战。

与热固性材料相比，TP-FML 具有更高的层间断裂韧性、更容易修复、可再成型和可回收性。研究人员已经研究了聚醚酰亚胺、聚醚醚酮和聚丙烯等 TP 基体，但此类热塑性基体的明显局限性是它们的加工温度高，由于其不同的系数，可能会在复合材料/金属界面处引入热应力的热膨胀。

金属和复合层之间界面的结构完整性对 FML 的性能起着重要作用。关于金属表面处理技术和涂层的各种工作已经发表，以增强复合材料与金属的附着力。迄今为止的大多数研究都集中在使用金属表面活化，随后应用涂层或粘合剂以促进有机基质与金属基材之间的粘附。这种界面结合对 FML 的性能至关重要。对于疏水性基质（例如丙烯酸树脂），与金属的键合更加复杂。在这项工作中已经利用液体丙烯酸的原位聚合性在丙烯酸基 TP-FML 中引入了一种新的键合。

本文研究了金属和复合层之间的粘合形成质量。阳极氧化铝用作金属成分，丙烯酸树脂/玻璃纤维（GF-丙烯酸）用作复合层。粘合剂是丙烯酸粘合剂（不含硬化剂）与环氧丙烯酸酯混合，在复合材料制造过程中与液态丙烯酸树脂原位聚合，通过共价键将金属粘合到复合材料上。这种通过原位聚合的独特键合技术首次用于新一代丙烯酸基 TP-FML。对 TP-FML 进行了弯曲和短梁剪切强度方面的机械表征，以评估其结构完整性。

表1. 用于制造 TP-FML 的不同粘合剂

图1. 在复合材料制造过程中，通过原位聚合将复合材料层与金属层结合的基本原理示意图。玻璃纤维/粘合剂层被涂在铝板的两面。

图2. 示意图描绘了通过原位聚合为具有金属层的热塑性复合材料提出的粘合机制。红色虚线圆圈代表在复合材料制造过程中通过自由基聚合在粘合剂和基体之间形成共价键。与阳极氧化金属表面的粘合通过 H 键合发生。使用的粘合剂是 (a) 甲基丙烯酸酯粘合剂（不含硬化剂）与环氧丙烯酸酯树脂混合和 (b) 单独使用环氧丙烯酸酯

文献信息

Interlayer bonding between thermoplastic composites and metals by in-situ polymerization technique

Journal of Applied Polymer Science

https://doi.org/10.1002/app.51188