隨著科技的發(fā)展和新材料的開發(fā)，鋁合金材質(zhì)以其密度低、導(dǎo)熱性能好、易于加工和表面處理等優(yōu)勢(shì)在汽車、家電、消費(fèi)電子、航空航天和建筑等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。尤其是當(dāng)前環(huán)保越來(lái)越受到關(guān)注，為減輕自重、降低油耗，鋁材在飛機(jī)、汽車上作為結(jié)構(gòu)件得到大量應(yīng)用。
研究表明，目前美國(guó)汽車用鋁大致為：鑄鋁77%、鋁板11%、擠壓鋁材12%，并且主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)（缸體、缸蓋、活塞）、熱交換器（散熱器、加熱器、制冷機(jī)蒸發(fā)器、油冷卻器、中間冷卻器）、渦輪增壓器、變速箱殼體、減震器、轉(zhuǎn)向管柱、車架橫梁、副車架、車輪及車身等部件上。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，鋁材以其穩(wěn)重大方，較高的強(qiáng)度，良好的質(zhì)感，在手機(jī)、平板和筆記本電腦外殼上使用是一種很好的選擇。蘋果系列零部件一直鐘情于鋁合金殼體的使用，就連一向倚重塑料外殼的三星也抵擋不了這股潮流，2015年和2016年，由金屬結(jié)構(gòu)件組成的三星智能手機(jī)的發(fā)貨量分別達(dá)到1億部和1.7億部。2015年和2016年金屬手機(jī)結(jié)構(gòu)件的滲透率分別為33%和38%，
從消費(fèi)電子的發(fā)展趨勢(shì)上看，零件外觀創(chuàng)新的首要途徑是機(jī)殼的金屬化，因?yàn)榻饘倥c塑料在性能和感覺上有著完全不同的表現(xiàn)。
消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品的美觀與質(zhì)感有著剛性需求。從材料角度看，金屬機(jī)殼對(duì)無(wú)線電信號(hào)存在一定程度的屏蔽；從生產(chǎn)角度來(lái)看，全金屬機(jī)殼加工比塑料難度大，要使用大量的CNC機(jī)床，尤其是復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)，加工成本非常高。另外，移動(dòng)終端金屬結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽的效應(yīng)會(huì)非常明顯，手機(jī)無(wú)法正常接收信號(hào)，所以移動(dòng)終端的金屬結(jié)構(gòu)件是一個(gè)開環(huán)結(jié)構(gòu)，工程塑料對(duì)無(wú)線信號(hào)沒有干擾和屏蔽作用，使用工程塑料作為金屬間連接是很好的選擇，但這2種材料的差異非常大，無(wú)法使用常規(guī)方法進(jìn)行結(jié)合，因此開發(fā)一種金屬和塑料的超強(qiáng)結(jié)合工藝是市場(chǎng)導(dǎo)向下的必備技術(shù)，既利用了金屬的強(qiáng)度高、散熱好的特點(diǎn)，又結(jié)合了塑料無(wú)射頻信號(hào)屏蔽、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件易于成型的優(yōu)勢(shì)，且降低了零件的生產(chǎn)成本，金屬件與塑料結(jié)合工藝應(yīng)用零件如圖2所示。
圖2 金屬件與塑料結(jié)合工藝應(yīng)用零件
目前，金屬與塑料結(jié)合工藝處理方法較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，鋁塑結(jié)合工藝常用方法如表2所示。
拉膠結(jié)構(gòu)法是直接在金屬件上提前加工出拉膠結(jié)構(gòu)，金屬件表面在后續(xù)注射塑料熔體時(shí)，塑料熔體能嵌入金屬件拉膠結(jié)構(gòu)中，增加二者結(jié)合力，該法適合于零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高時(shí)使用。
焊接法是用熱空氣、超聲波、高頻，紅外或激光等方式加熱預(yù)留塑料面或鉚柱，使塑料熔化再壓緊，實(shí)現(xiàn)塑料金屬間連接的方法。
激光照射法是采用連續(xù)波激光照射，在金屬零件表面加工出布線圖案，金屬零件表面注射塑料熔體后形成類似樹脂縫合結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)金屬與塑料之間結(jié)合力的方法。
膠粘法是在零件的連接區(qū)域直接涂覆膠水，把金屬和塑料連接在一起的方法。
以上方法在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，工藝較成熟，但均不同程度存在一些缺點(diǎn)，如拉膠結(jié)構(gòu)法零件上2種材料的結(jié)合力較弱，焊接法對(duì)操作人員要求較高，激光照射法設(shè)備投資大，不適合零件形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。膠粘法要求零件2種材料粘結(jié)區(qū)域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
相對(duì)于以上這些方法，納米成形技術(shù)（nanomoldingtechnology，NMT）采用化學(xué)、電化學(xué)方法在金屬表面形成眾多的微納米孔洞，注射成型時(shí)，塑料與孔洞上部或外部的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，把金屬與塑料牢牢鉚接在一起，其結(jié)合力是目前金屬與塑料結(jié)合工藝中最高的，加工成本低，能很好地滿足零件的功能和外觀要求，實(shí)現(xiàn)零件輕量化，簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)，具有良好的應(yīng)用前景。
納米成形技術(shù)最初是由日本大成普拉斯株式會(huì)社成富正德先生發(fā)明的，大成公司采用化學(xué)處理的方式，在鋁、鎂、不銹鋼等材料表面上獲得特定的形狀、一定尺寸、眾多規(guī)則的納米孔洞，并在納米孔洞中形成一層薄膜。在模內(nèi)注射時(shí)，塑料熔體與這層薄膜發(fā)生化學(xué)作用，使塑料熔體能夠滲入到微納米孔中，塑料熔體與金屬通過(guò)千千萬(wàn)萬(wàn)微孔的“嵌入”作用，牢固地結(jié)合成一個(gè)整體，表現(xiàn)出極強(qiáng)的粘接力。大成公司根據(jù)其公司的英文名稱首字母，把該金屬處理工藝命名為“T處理”，大成公司發(fā)明的T處理主要經(jīng)過(guò)堿洗、酸洗、T處理、水洗4個(gè)步驟。堿洗的主要目的為除去金屬表面的油污，酸洗可以將金屬光滑表面變成“珊瑚礁”結(jié)構(gòu)的納米級(jí)空洞，T處理進(jìn)一步將金屬表面變成尺寸更小的納米級(jí)空洞、并殘留在孔洞里面，水洗可以將大部分T液洗去，但不會(huì)將納米孔洞里面的T液清洗掉。鋁合金T處理前后的掃描電鏡圖和納米注射后的剖面掃描電鏡圖如圖3所示。
圖3 鋁合金零件T處理前后的掃描電鏡圖
和納米注射后的剖面掃描電鏡圖
NMT的優(yōu)勢(shì)在于可以降低零件的整體厚度與高度，減輕零件的質(zhì)量，在保證零件強(qiáng)度的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化金屬結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，另外因其零件外觀為金屬，可很好地提升零件質(zhì)感和檔次。
在后續(xù)的幾年內(nèi)，大成普拉斯株式會(huì)社陸續(xù)研究了銅和銅合金、不銹鋼、鎂和鎂合金、鈦合金以及普通鋼材等金屬零件與樹脂組合物接合的納米成形技術(shù)，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。同期，國(guó)內(nèi)也開發(fā)了一系列NMT處理液，并進(jìn)行了類似的命名，如E處理液、B處理液、F處理液、ECIM和一些公司的C處理液等。2014年，日本東亞電化公司開發(fā)了新型的金屬塑料接合方法，對(duì)其接合原理及其制造方法申請(qǐng)了相關(guān)專利，并命名為TRI工藝。這幾種工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。
綜合目前市場(chǎng)上的NMT來(lái)看，其工作機(jī)理主要為3種，一是化學(xué)處理+化學(xué)藥劑；二是電化學(xué)處理+化學(xué)藥劑；三是物理處理如激光處理?；瘜W(xué)處理和電化學(xué)處理的作用是在金屬零件上形成微納米孔洞，化學(xué)藥劑的作用是填充這些孔洞或在孔洞上部或外部生成一層反應(yīng)膜，在金屬零件上注射塑料熔體時(shí)，化學(xué)藥劑與熱塑性樹脂末端官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成共價(jià)鍵或酸堿結(jié)合，從而增大金屬與塑料的結(jié)合力。而激光處理在金屬零件上形成的納米孔無(wú)需化學(xué)藥品二次處理，直接在金屬零件上注射塑料熔體即可。
目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)了多款用于NMT注射成型的聚苯硫醚（PPS）和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT），材料的性能與國(guó)外材料性能相近，PBT和PPS納米注射成型零件的綜合性能對(duì)比如表4所示。
NMT所用原材料包括塑料和金屬基材，其中塑料通常為PPS和PBT，PA類材料也可用于NMT注射成型材料，但在后續(xù)陽(yáng)極氧化處理時(shí)，PA易變色發(fā)黃且吸水率高，結(jié)合強(qiáng)度耐久性差，PPS一般只能做成深色，很難做淺色，PBT可以做淺色。另外為了匹配2種材料的熱膨脹系數(shù)，塑料中會(huì)添加部分纖維如玻璃纖維、碳纖維等，添加比例一般20%~50%，使塑料的熱伸縮程度與金屬相近。不同牌號(hào)PPS材料納米注射成型零件上2種材料結(jié)合力性能比較（E處理）如表5所示。
經(jīng)驗(yàn)證，目前有多種金屬材料可以用于NMT，如鋁及其合金、鎂及其合金、銅及其合金、不銹鋼、鈦及其合金等，常用的幾種金屬材料牌號(hào)見表6。
該環(huán)節(jié)包括造孔和化學(xué)藥劑處理，造孔通常采用化學(xué)或電化學(xué)法，在金屬表面形成微納米級(jí)孔洞，再用化學(xué)藥劑填充這些孔洞或在孔洞上部或外部生成一層反應(yīng)膜，形成與陽(yáng)極氧化覆膜中的Al2O3結(jié)合的化學(xué)鍵，并在后續(xù)注射成型時(shí)，在高溫高壓條件下，這些化學(xué)物質(zhì)與熱塑性樹脂的末端官能團(tuán)之間形成共價(jià)鍵或酸堿結(jié)合，從而獲得更牢固的結(jié)合強(qiáng)度和耐久性。金屬表面處理反應(yīng)機(jī)理如圖4所示。
圖4 金屬表面處理反應(yīng)機(jī)理
納米注射模結(jié)構(gòu)對(duì)零件上2種材料結(jié)合力的影響主要為，在材料結(jié)合部位保證一定的粘著面積的前提下，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)局部區(qū)域要使塑料熔體能夠滲入金屬零件表面，如在金屬零件上設(shè)計(jì)T形槽、設(shè)計(jì)的脫模角度、合理的進(jìn)澆口位置，另外，模具型腔的排氣要充分，保證塑料熔體能夠充分進(jìn)入到金屬零件微納米孔洞中，在零件一些重要位置設(shè)置拉膠結(jié)構(gòu)需要專門設(shè)計(jì)和反復(fù)驗(yàn)證。典型的NMT注射模結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 典型的NMT注射模結(jié)構(gòu)
NMT的納米注射成型屬于嵌件注射成型，成型過(guò)程中料溫、模溫、注射壓力、熔體注射速度和型腔排氣對(duì)最終成型零件合格率影響較大。料溫要嚴(yán)格依據(jù)塑料物性表要求進(jìn)行調(diào)整，注射壓力、熔體注射速度要依據(jù)零件實(shí)際情況反復(fù)驗(yàn)證、確認(rèn)效果后設(shè)定。此外鋁材注射成型前的預(yù)熱溫度也很重要，要保證鋁材注射成型前的預(yù)熱溫度與模溫一致。模溫通常要達(dá)到140℃以上，在此條件下，熱塑性樹脂末端的官能團(tuán)才能更充分地與陽(yáng)極氧化覆膜上的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。金屬手機(jī)殼納米注射成型加工工藝流程如圖6所示。
圖6 金屬手機(jī)殼納米注射成型加工工藝流程
從2003年大成普拉斯株式會(huì)社發(fā)明鋁合金T處理方法以來(lái)，NMT的發(fā)展已有十多年的時(shí)間，期間其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用逐漸得到了加強(qiáng)，在電子、汽車、高鐵和航空航天零件、化學(xué)電源制品、管道連接等方面均有應(yīng)用。NMT的應(yīng)用，極大地豐富了設(shè)計(jì)人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，降低了零件加工成本和零件質(zhì)量，為異種材料的接合應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。幾種NMT應(yīng)用案例如圖7所示。
圖7 NMT應(yīng)用舉例
隨著金屬和塑料材料相結(jié)合零件的使用越來(lái)越廣泛，NMT在滿足工業(yè)化需求方面的前景也將越來(lái)越廣闊，今后，NMT主要解決以下幾方面的問題：
（1）擴(kuò)展塑料和金屬材料相結(jié)合的應(yīng)用種類，讓更多的材料滿足使用要求。
（2）提高金屬與塑料之間整體結(jié)合強(qiáng)度和密封性，避免局部區(qū)域開裂和后處理零件表面產(chǎn)生白斑。
（3）延長(zhǎng)NMT處理零件成型前放置時(shí)間，降低零件失效風(fēng)險(xiǎn)。
（4）研究大尺寸零件NMT處理方法，降低生產(chǎn)成本。
▍原文來(lái)源：《模具工業(yè)》2016年第8期
▍原文作者：謝守德，王長(zhǎng)明，韓靜，劉秀強(qiáng)，周國(guó)榮
▍作者單位：東莞勁勝精密組件股份有限公司
