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)勢在汽車、家電、消費電子、航空航天和建筑等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。尤其是當前環(huán)保越來越受到關(guān)注，為減輕自重、降低油耗，鋁材在飛機、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)動機（缸體、缸蓋、活塞）、熱交換器（散熱器、加熱器、制冷機蒸發(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。在消費電子領(lǐng)域，鋁材以其穩(wěn)重大方，較高的強度，良好的質(zhì)感，在手機、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的發(fā)貨量分別達到1億部和1.7億部。2015年和2016年金屬手機結(jié)構(gòu)件的滲透率分別為33%和38%，
從消費電子的發(fā)展趨勢上看，零件外觀創(chuàng)新的首要途徑是機殼的金屬化，因為金屬與塑料在性能和感覺上有著完全不同的表現(xiàn)。
消費者對于產(chǎn)品的美觀與質(zhì)感有著剛性需求。從材料角度看，金屬機殼對無線電信號存在一定程度的屏蔽；從生產(chǎn)角度來看，全金屬機殼加工比塑料難度大，要使用大量的CNC機床，尤其是復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)，加工成本非常高。另外，移動終端金屬結(jié)構(gòu)如果設(shè)計成一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽的效應(yīng)會非常明顯，手機無法正常接收信號，所以移動終端的金屬結(jié)構(gòu)件是一個開環(huán)結(jié)構(gòu)，工程塑料對無線信號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，無法使用常規(guī)方法進行結(jié)合，因此開發(fā)一種金屬和塑料的超強結(jié)合工藝是市場導(dǎo)向下的必備技術(shù)，既利用了金屬的強度高、散熱好的特點，又結(jié)合了塑料無射頻信號屏蔽、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件易于成型的優(yōu)勢，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，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，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)強度要求不高時使用。
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)用時間較長，工藝較成熟，但均不同程度存在一些缺點，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)效率相對較低。膠粘法要求零件2種材料粘結(jié)區(qū)域結(jié)構(gòu)簡單。
相對于以上這些方法，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，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，實現(xiàn)零件輕量化，簡化零件結(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，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千千萬萬微孔的“嵌入”作用，牢固地結(jié)合成一個整體，表現(xiàn)出極強的粘接力。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)過堿洗、酸洗、T處理、水洗4個步驟。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)的納米級空洞，T處理進一步將金屬表面變成尺寸更小的納米級空洞、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，在保證零件強度的同時，大大簡化金屬結(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)，并申請了相關(guān)專利。同期，國內(nèi)也開發(fā)了一系列NMT處理液，并進行了類似的命名，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，對其接合原理及其制造方法申請了相關(guān)專利，并命名為TRI工藝。這幾種工藝方法的優(yōu)缺點如表3所示。
綜合目前市場上的NMT來看，其工作機理主要為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，化學(xué)藥劑與熱塑性樹脂末端官能團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成共價鍵或酸堿結(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）和聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT），材料的性能與國外材料性能相近，PBT和PPS納米注射成型零件的綜合性能對比如表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)陽極氧化處理時，PA易變色發(fā)黃且吸水率高，結(jié)合強度耐久性差，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，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之間形成共價鍵或酸堿結(jié)合，從而獲得更牢固的結(jié)合強度和耐久性。金屬表面處理反應(yīng)機理如圖4所示。
圖4 金屬表面處理反應(yīng)機理
納米注射模結(jié)構(gòu)對零件上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)計時局部區(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T形槽、設(shè)計的脫模角度、合理的進澆口位置，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)計和反復(fù)驗證。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，成型過程中料溫、模溫、注射壓力、熔體注射速度和型腔排氣對最終成型零件合格率影響較大。料溫要嚴格依據(jù)塑料物性表要求進行調(diào)整，注射壓力、熔體注射速度要依據(jù)零件實際情況反復(fù)驗證、確認效果后設(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。模溫通常要達到140℃以上，在此條件下，熱塑性樹脂末端的官能團才能更充分地與陽極氧化覆膜上的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。金屬手機殼納米注射成型加工工藝流程如圖6所示。
圖6 金屬手機殼納米注射成型加工工藝流程
從2003年大成普拉斯株式會社發(fā)明鋁合金T處理方法以來，NMT的發(fā)展已有十多年的時間，期間其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用逐漸得到了加強，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)計人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，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)用打下了堅實基礎(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)合零件的使用越來越廣泛，NMT在滿足工業(yè)化需求方面的前景也將越來越廣闊，今后，NMT主要解決以下幾方面的問題：
（1）擴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NMT處理零件成型前放置時間，降低零件失效風(fēng)險。
（4）研究大尺寸零件NMT處理方法，降低生產(chǎn)成本。
▍原文來源：《模具工業(yè)》2016年第8期
▍原文作者：謝守德，王長明，韓靜，劉秀強，周國榮
▍作者單位：東莞勁勝精密組件股份有限公司
