我们前面一篇介绍了纳米注塑成型技术和聚合物/金属杂化（PMH）复合材料 的概念，后面我们就要展开试验以获取深入的了解。

2 实验

2.1 材料

使用前，将铝板切成 40×10×2 mm，并用 80 Grit 砂纸打磨去除氧化物。然后，将板用丙酮和乙醇清洗。聚苯硫醚 (PPS) ，在 140°C 下干燥 24 小时以除去水分。

2.2 铝板表面处理及 PMH 的制备

电解液含有20wt%的H₂SO₄ 和80wt%的去离子水，Al板作为阳极，石墨片作为阴极。阳极氧化在 20°C 下在不同的电压和搅拌时间下进行。阳极氧化后，铝板在 60°C 的烘箱中干燥 20 分钟。然后，将板放入预先设计的模具中（图 1) 并进行注射。铝腔由铝板填充，阳极氧化区域面向注射腔，然后，聚合物通过注射口注入注射腔。由于聚合物的高压和良好的流动性，它会在键合区域注入 Al表面的孔隙中，形成PMH。模具温度设置为 60°C，机筒温度设置为 280°C 。注射时间为 5 秒，压缩时间为 20 秒。

图1

注塑模具示意图。

2.3 表征

通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，JEOL JSM-7800F，日本）研究了铝板表面纳米结构的形态。工作电压为60.0 kV ，电流为100.0 mA，扫描范围为5-90°。制备SEM样品时，采用精细研磨机（德国 Leica EM TXP）对PMH横截面进行精细研磨，尽量保留其原有的界面形貌，便于SEM观察。界面的反应通过傅里叶变换红外光谱 (FT-IR)（PerkinElmer Spectrum 3，美国）进行，光谱分辨率为 2 cm ^-1，波数区域为 400–4,000 cm ^-1带 ATR 红外光谱模具。树脂的热力学行为通过差示扫描量热仪 (DSC, 204 F1 Phoenix, Germany) 表征。铝板与PPS的结合强度采用微机控制电子万能试验机（UTM4104X，欧贝特[山东 ]检测设备有限公司，中国）进行测试。

3 结果与讨论

3.1 铝合金板材表面形貌

根据阳极氧化铝的生长机制，电压和阳极氧化持续时间对孔径和深度起着关键作用。研究了电压和时间对阳极氧化铝表面形貌的影响。从图2a-c可以看出，表面纳米孔e随着阳极氧化时间的增加而增加。在 15 V电压下，阳极氧化1.5 h后孔隙呈纳米级，而阳极氧化6 h后孔隙增加为微孔隙。微孔有利于制备 PMH 。随着时间的延长，毛孔塌陷（图 2d). 这主要是因为在阳极氧化过程中，气体会沉积在金属表面的阻挡层上，因此会不断产生多孔结构。然而，当时间继续增加时，电解质中的电子将转移到阳极，其击穿将导致孔结构的一些破坏 。此外，随着阳极氧化时间的增加，氧化层厚度增加，氧化层变脆，会降低金属基体的强度。电压对孔径具有相同的影响。如图 2e和f所示，增加电压使孔隙结构迅速坍塌。在阳极氧化过程中，随着电压的升高，这种能量平衡会被破坏，从而导致孔隙结构的破坏。

图 2

阳极氧化后铝板的表面形貌。(a) 清洗后的铝板，(b–d) 铝板在 15 V 下阳极氧化 1.5、6 和 8 小时， (e 和 f) 铝板分别在 20 和 25 V 下阳极氧化 6 小时。

3.2 PMH的结合强度

采用微型注塑机制备上述制备方法制备的铝合金基体与PMH，并通过拉伸试验测试其结合强度。图 3a是 PMH 样品的数码照片和示意图。为保证拉力测试时两端受力均匀，在裸金属端放置垫片（图3b）。试验时不输入花键的厚度、宽度、标距，以最大力值表示抗拉强度。

图 3

拉伸测试的数码照片：(a) PMH 样品和示意图以及 (b) 测试夹具。

拉伸试验结果如图4所示。可见更高的电压和更长的阳极氧化时间有利于提高PMH的结合强度。抛光和清洗后，PPS 很难与铝板结合，这种现象在铝板在15 V电压下阳极氧化1.5和4.0小时的 PMH中一直存在。随着 15 V 阳极氧化时间的进一步增加，PMH 的结合强度显着增强。PMH 在 15 V 电压下阳极氧化 6 小时，产生的最大结合强度为 1,543 N。然而，当阳极氧化时间进一步增加到 8 小时时，结合强度下降到 810 N。根据阳极氧化理论，阳极氧化时间与孔隙深度呈正相关，并且在 PMH 中作为连接树脂的锚。阳极氧化电压对金属表面的孔隙结构也起着重要作用。将电压增加到 20 和 25 V 时，孔隙塌陷，导致结合强度降低（图 4a）。图 4b 显示了 PMH 的不同断裂模式，表明了组分材料强度和界面结构对 PMH 结合强度的影响。对于相对光滑的表面，PPS 几乎不能粘附在铝板上，弱的结合强度导致金属和树脂完全分离。对于结合强度高的PMH，它在PPS体或Al 板表面断裂。适当的孔结构允许 PMH 具有良好的锚固结构，并导致高结合强度。然而，过度的阳极氧化会使氧化层变厚，从而在拉伸试验中导致铝板上的氧化层剥落。

图 4

拉伸测试结果：(a) 粘合强度结果和 (b) 拉伸测试后的 PMH 样品。

【译自：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ntrev-2022-0120/html 】