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近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所激光智能制造技術(shù)研發(fā)中心楊上陸研究員團(tuán)隊在金屬-碳纖維復(fù)合材料異質(zhì)接頭激光輔助連接方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊采用可調(diào)平頂矩形半導(dǎo)體激光作為熱源，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼與熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的連接，闡明了異種材料界面熱歷史、界面成形機(jī)制與接頭性能的關(guān)系，并提出一種新型激光熱輸入工藝策略。相關(guān)研究成果以“Effect of interfacial thermal history on bonding mechanism of laser assisted joining of QP980-CFRTP with adjustable flat-top rectangular laser beam”為題發(fā)表于Composite Structures。

開發(fā)高性能的多材料體系混合結(jié)構(gòu)是航空航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有超高的比強(qiáng)度和韌性，與金屬混合應(yīng)用可同時滿足結(jié)構(gòu)輕量化及成本控制的需求。金屬和復(fù)合材料之間存在巨大的物理化學(xué)性質(zhì)差異，現(xiàn)有的異種材料連接方法均存在不足，亟待開發(fā)高質(zhì)高效的新型連接工藝。

圖1.激光輔助連接工藝、超快激光表面處理結(jié)構(gòu)和界面熱歷史監(jiān)測

團(tuán)隊研究激光輔助連接過程中的界面熱歷史，分析樹脂基體的溫度狀態(tài)及其在金屬表面的潤濕行為，對比不同界面熱歷史對界面連接缺陷、化學(xué)成分、接頭強(qiáng)度和失效行為的影響。通過界面熱歷史設(shè)計方法與激光熱輸入工藝調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了極限界面溫度和充分保溫時間，有助于樹脂基體在金屬表面的完全熔化和擴(kuò)散，填充界面的微孔，促進(jìn)化學(xué)鍵合，產(chǎn)生峰值載荷高于10kN、剪切強(qiáng)度高于22MPa的高質(zhì)量接頭。相關(guān)研究成果在航空航天等相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖2.界面熱歷史與金屬表面樹脂潤濕行為關(guān)系

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上海光機(jī)所在金屬-碳纖維復(fù)合材料異質(zhì)接頭激光輔助連接方面取得進(jìn)展