Лазер допоміг міцніше склеїти пластик і алюміній

Німецькі вчені розробили новий спосіб збільшити міцність склейки алюмінію і пластику в гібридних матеріалах. Для створення міцних контактів вчені запропонували обробляти поверхню металу інфрачервоним лазером, після чого за допомогою технології лиття пластмас під тиском приєднувати до нього полімерний матеріал. Новий метод дозволяє отримувати міцні контакти, зберігаючи при цьому механічні властивості полімерного матеріалу, пишуть вчені в.

За рахунок правильного вибору компонентів композиту можна поєднати в одному матеріалі кілька потрібних механічних, фізичних або хімічних властивостей. Однак якщо деякі пари матеріалів з'єднати в єдиний «гібрид» неважко, то з іншими можуть виникати проблеми. Наприклад, широкому використанню досить перспективних композитів на основі пластику і легких металів заважає невелика сила адгезії між ними, особливо на рівні мікроструктури.

У макроскопічних композитах з'єднання між полімерним матеріалом і металом можна посилити за рахунок механічного зчеплення - за допомогою отворів або борознок у металевій частині матеріалу. Однак дуже часто цей підхід не застосовний, тому що різко погіршує механічні властивості металу. У таких випадках інженери пропонують збільшувати силу адгезії металу і пластику всередині композитів, спеціальним чином обробляючи міжфазний кордон: робити її шорсткою, додавати на неї спеціальні адгезиви, що підсилюють з'єднання, або обробляти перед з'єднанням плазмою, підвищуючи реакційну здатність. Тим не менш, більша частина цих підходів досі залишаються недостатньо ефективними.

Для вирішення цієї проблеми німецькі вчені під керівництвом Аннетт Клоцбах (Annett Klotzbach) з Інституту матеріалів і променевих технологій Товариства Фраунгофера запропонували обробляти поверхню металу лазером. Відомо, що обробка поверхонь безперервним лазерним випромінюванням в інфрачервоному діапазоні або пікосекундними лазерними імпульсами (тривалість одного такого імпульсу приблизно в трильйон разів менше секунди) дозволяє нанести на неї періодичний масив паралельних канавок.

Як метал автори дослідження вибрали алюміній, який найчастіше використовують для отримання міцних композитів порівняно невеликої щільності. Його поверхню обробляли з використанням двох підходів - опромінювальна поверхня безперервним випромінюванням з довжиною хвилі 1070 нанометрів і максимальною потужністю 1,5 кіловата або короткими імпульсами тривалістю 20 пікосекунд з довжиною хвилі 1064 нанометрів, середньою потужністю 20 ватт і частотою 200 кілогерць. Залежно від режиму обробки вченим вдалося отримати канавки різної глибини - 158 мікрометрів при використанні безперервного опромінення і 40 мікрометрів - при використанні пікосекундних імпульсів.

Після цього за допомогою технології лиття пластмас під тиском (injection molding) вчені отримували на основі обробленого алюмінію композитний матеріал. До текстурованої поверхні алюмінію за допомогою спеціального пристрою під тиском приклеювався шар з поліаміду - термопластичного полімеру з високими міцністю і зносостійкістю. В обох випадках вдалося домогтися утворення композиту з однорідною поверхнею.

У випадку з більш дрібними канавками два компоненти матеріалу - алюміній і полімер - відразу відривалися один від одного, проте у випадку з глибокими канавками вдалося отримати міцне з'єднання. Силу склеювання вчені оцінили за допомогою вимірювань граничної зрушення міцності, яка виявилася вищою при використанні безперервного опромінення і склала 11,9 мегапаскаля - це значно менше, ніж у однорідних матеріалів, наприклад сталей, але вище, ніж у аналогічних композитних матеріалів на основі металу і полімерів. При цьому отриманий композитний матеріал виявився дуже близьким за механічними властивостями до поліаміду. Так, межа міцності при розтягненні склала 55 мегапаскалів - 89 відсотків від міцності використаного поліаміду PA6,6.

Автори роботи зазначають, що вони не вивчали зміну міцності контакту при зміні температури. Крім того, для використання запропонованої методики в майбутньому необхідне її доопрацювання для пошуку оптимальних параметрів випромінювання, проте вже зараз ясно, що метод безперервного лазерного опромінення можна використовувати для створення міцних гібридних матеріалів на основі пластику та алюмінію. Метод імпульсного випромінювання виявився невідповідним для подібних цілей.

Часто для збільшення міцності контактів вчені використовують на стиках спеціальні адгезивні речовини. Наприклад, нещодавно вчені виявили, що одним з незвичайних провідних варіантів подібного «клею» може бути галій - за допомогою нього можна склеювати між собою пластик, метал і скло.