热塑复材焊接技术升级：以化学键优化焊接界面，增强热传导效率

碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）作为一种典型的轻质高强新型材料，在航空航天领域展现出显著的应用前景。

通过采用CFRTP替代传统金属材料，可实现结构减重20%-30%。为推动航空航天领域的可持续发展，亟需加强对复合材料的深入研究，充分发挥其在轻量化设计和绿色制造中的独特优势。

然而，高性能热塑性树脂基体因熔融温度高、粘度大等问题，导致大型结构成型加工难度较高。为降低较复杂的CFRTP构件的制造难度，一般采用化整为零的方法，即先成型若干结构简单的零件，然后通过熔融焊接等方法组装成部件。

感应焊接具有快速、可同时进行多个大型制件或多重焊接面的焊接的优势，但感应元件设计困难，难以实现均匀传热，这在一定程度上影响了接头力学性能。

近日，哈尔滨工业大学檀财旺教授团队提出通过一种引入化学键调控界面传热强化热塑复材焊接界面的调控手段，即：利用硅烷偶联剂对感应元件表面的化学状态进行改性，发现由于共价键的形成，改善了焊接过程界面热传导。

通过结合分子动力学模拟，发现相比于原有界面的弱作用力，共价键的存在提升了焊接界面温度分布均匀性，降低了焊后接头残余应力，接头强度提高1.7倍。

相关论文以题为“Achieving the thermal reinforcement between aluminum sensing elements and composites in induction welding via silane layers”发表在Composites Part B: Engineering上。论文第一作者为哈尔滨工业大学博士生张雪妍，通讯作者为哈尔滨工业大学檀财旺教授，该工作得到了国家自然科学基金、山东省优青、青年泰山学者等基金的资助。

作者以30%短碳纤维增强尼龙66为母材，通过硅烷偶联剂对铝网感应元件进行表面处理。

采用非平衡分子动力学模拟对界面热导进行预测，加入硅烷层的界面热导为665MW/km²，相比于未加入硅烷层的界面热导提高309MW/km²，揭示了界面热传导主要依靠声子进行，对于感应元件（金属）/热塑复材（非金属）界面，由于两侧晶格振动差异将导致声子失配，其大小主要由界面结合键强度决定。

焊接过程界面最大温差由46°C降低到20°C，证明了强共价键的形成不仅改善了热塑复材界面结合强度，也通过提高界面传热改善了界面温度分布的均匀性。

这项研究实现了在热塑复材感应焊接过程中通过界面化学键强化增强界面热传导，为热塑复材感应焊接界面传热路径优化设计提供了一个新思路。

图1 硅烷偶联剂对接头热导率的影响: (a)实验结果; (b)模拟结果; 界面温度分布: (c)无硅烷膜; (d)引入硅烷膜

图2 分子界面模型及界面温度曲线演变: (a)无硅烷膜; (b)引入硅烷膜

图3 硅烷膜增强CFRTP感应焊接头强度机理: (a)-(b)无硅烷膜; (c)-(d)引入硅烷膜