【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属与高分子异种材料焊接，尤其涉及一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，属于金属/高分子复合结构制备领域。
技术介绍
1、金属/高分子复合结构结合了金属材料和高分子材料的优点，具备优异的综合理化性能，在航空航天、机械、电子、汽车、生物医学等诸多领域广泛应用，主要目的是实现结构轻量化或功能复合化。近几十年来，相比于耐候性差的粘接技术和气密性不好并额外增重的机械连接技术，焊接作为一种新型的制备金属/高分子复合结构的技术越来越受到人们的关注。然而，由于这两种材料的物理化学性质(如晶体结构、热膨胀系数等)差异较大，很难获得高性能的焊接界面。
2、因此，需要对金属表面进行处理从而获得合适的表面特征，常见的处理方法主要包括：机械打磨、喷砂/喷丸、化学刻蚀、电化学处理、激光处理、等离子体处理、增材制造等。目前采用这些表面处理方法的思路仍然局限于改变金属表面形貌、粗糙度、润湿性或化学成分，虽然这能在一定程度上提升金属/高分子复合结构的焊接界面强度，但是，界面强度的提升主要依赖于界面处形成机械咬合，要么提升效果有限，要么处理方法过于复杂且对设备要求较高(如金属表面增材制造制备复杂结构)。更重要的是，机械咬合的效果与金属/高分子复合结构的受力方向有关，适用范围有限。因此，开发一种既简单高效、又能显著提升金属与高分子焊接界面直接键合强度的金属表面处理方法至关重要，下面对以往公开的技术方法进行具体的探讨：
3、专利申请cn114407372a公开了一种提高金属件与塑料件激光连接强度的装
4、专利申请cn107962784a公开了一种提高金属-塑料连接强度的连接装置及连接方法。该方法利用激光穿透塑料件照射到金属件表面，并对金属表面进行灼烧，使金属表面形成凹凸不平的纳米或微米级孔洞，然后利用热压装置进行焊接，将软化的高分子压入金属表面孔洞从而实现界面结合。该方法需要在辅助气体下进行激光灼烧，工序复杂；并且要求塑料件透光，应用场景局限。
5、专利申请cn109986191a公开了一种应用于金属/高分子连接的表面处理方法。该方法用腐蚀性液体浸泡金属表面，使其表面形成均匀分散在金属基底上的化合物颗粒，提升熔融高分子对金属表面的润湿并形成有效的界面钉扎作用，从而提升金属/高分子界面强度。该方法提出的有效钉扎作用局限于界面受到剪切应力作用，对于拉应力载荷，化合物颗粒将无法有效组织裂纹扩展，应用场景受限。
6、专利cn109910318b公开了一种使用界面原位复合相增强金属/高分子连接强度的方法。该方法在金属高分子连接界面上铺设一层增强相颗粒，通过颗粒钉扎作用提升了金属/高分子连接界面的强度。该方法需要提前在金属表面制造粗糙结构才能保证增强相颗粒与金属表面的有效钉扎，并且颗粒钉扎效应局限于剪切应力，对于拉应力载荷效果一般；此外，增强相颗粒的均匀分散也存在较大难度，分散过程复杂且难以控制。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是克服以上现有技术存在的缺陷，提供一种操作简单、成本低廉，室温和低温条件下承载拉应力和剪切应力能力均好，适用范围广的通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，利用表面处理技术预先在金属表面自生长一层非晶层，优选金属氧化物非晶层，通过非晶层实现与高分子之间的高密度、高强化学键合，包括以下步骤：
3、(1)利用常规机械磨抛去除金属表面的自然氧化层，并利用超声清洗去除表面残留磨抛颗粒及其他杂质、油污，使金属表面保持洁净；
4、(2)利用电化学处理、激光处理或电子束热处理等技术在特定条件下处理金属表面，使金属表面自生长金属氧化物非晶层；
5、(3)将表面含有非晶层的金属与高分子构件接触，利用焊接技术对金属/高分子复合构件施加热力作用，在热力共同作用下，实现金属表面非晶层与高分子之间的高强化学键合，获得高性能金属/高分子复合结构界面。
6、本专利技术适用于不同的金属与高分子组合，金属构件包括但不限于：铝合金、镁合金、钢、铜及铜合金、钛及钛合金等金属或合金材料。高分子构件为热塑性高分子及其复合材料，包括但不限于：聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等高分子材料及其纤维增强复合材料。其中复合材料的增强纤维包括但不限于：碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等。
7、优选的，步骤(2)所述的电化学处理包括阳极氧化或微弧氧化。其原理均为通过电解作用在金属表面生成致密氧化膜，但均需在特定条件下才能获得非晶态金属氧化物，包括控制电解液、电压、电流、温度、时间等。
8、其中，所述的阳极氧化电解液优选酸性电解液，包括但不限于：硫酸、磷酸、草酸等，或者两种(及以上)酸的混合溶液，以及酸与钠盐、钾盐等的混合溶液。酸性电解液中氢离子浓度小于10mol/l，盐浓度优选为0～20g/l。
9、进一步地，阳极氧化可以采用恒压或恒流模式，为保证非晶层的成功制备，其中电压优选为5～20v，电流优选为0.1～5a。
10、进一步地，阳极氧化电解液温度，范围为0～90℃，优选25～80℃。
11、进一步地，阳极氧化时间，根据金属材料的类别及电解液、电压和电流的选择，范围为5～30min。
12、所述的微弧氧化采用脉冲电压，正向电压为10～350v、反向电压为0，频率为200～500hz，正负占空比为10％～50％。
13、所述的微弧氧化电解液优选碱性溶液，包括但不限于：氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、草酸钠、磷酸二氢钠等，优选含有硅酸钠的混合溶液。溶液中单一溶质浓度小于10g/l。
14、所述的微弧氧化时间，根据金属材料的类别及电压的选择，范围为1～30min。
15、优选的，步骤(2)所述的激光处理包括激光脉冲沉积、激光化学沉积、激光熔覆与激光重熔，优选成本低廉、简单有效的激光重熔技术，其原理为激光快速作用使材料表层熔化，在特定条件下固、液两相间会形成极大的温度梯度，随后快速冷却，使晶体形核和长大受到抑制，从而形成非晶层金属表面。
16、所述的激光重熔技术利用高能量密度的激光束在极短时间内作用金属表面，激光能量密度不宜太低，否则无法达到形成非晶的条件；也不易太高，会导致金属表面气化，能量密度范围优选为106～108w/cm2。作用时间取决于所采用的激光器类型，优选成本较低的纳秒激光。
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【技术保护点】
1.一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，利用表面处理技术预先在金属表面自生长一层非晶层，并通过非晶层实现与高分子之间的高强化学键合，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(2)金属表面自生长的非晶层与金属基体紧密结合，包括金属非晶层和金属氧化物非晶层。
3.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(2)所述的表面处理包括电化学处理、激光处理或电子束热处理。
4.根据权利要求3所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的电化学处理包括阳极氧化或微弧氧化技术，阳极氧化采用的电压为5～20V，时间为5～30min。
5.根据权利要求3所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的激光处理为激光重熔技术，能量密度范围为106～108W/cm2。
7.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(3)所述的焊接技术为焊接热和压力共同作用下的直接连接技术，包括搅拌摩擦焊接及其变体、激光焊接、超声波焊接、热压焊接或注塑连接。
8.根据权利要求7所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的焊接热使界面焊接温度介于高分子材料的熔点和降解温度之间，所述的压力使熔融高分子与金属表面氧化物非晶层充分接触，但不使高分子过度挤出。
9.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的金属/高分子复合结构界面包括平面结构和任意曲面结构。
10.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(1)所述的预处理为利用机械磨抛去除金属表面的自然氧化层，并利用超声清洗去除表面残留磨抛颗粒及其他杂质、油污。
...【技术特征摘要】
1.一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，利用表面处理技术预先在金属表面自生长一层非晶层，并通过非晶层实现与高分子之间的高强化学键合，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(2)金属表面自生长的非晶层与金属基体紧密结合，包括金属非晶层和金属氧化物非晶层。
3.根据权利要求1所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，步骤(2)所述的表面处理包括电化学处理、激光处理或电子束热处理。
4.根据权利要求3所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的电化学处理包括阳极氧化或微弧氧化技术，阳极氧化采用的电压为5～20v，时间为5～30min。
5.根据权利要求3所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属与高分子焊接界面键合强度的方法，其特征在于，所述的激光处理为激光重熔技术，能量密度范围为106～108w/cm2。
6.根据权利要求3所述的一种通过金属表面自生长非晶层提升金属...
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