研究背景

由輕質聚合物和高強度金屬組成的混合結構，對于推動航空航天、汽車制造和軌道交通等關鍵工業領域的進步至關重要，這與全球節能減排的戰略目標高度契合。然而其核心挑戰在于實現這兩種物理和化學性質迥異材料間的持久可靠連接。傳統的連接方式，如膠接和機械緊固，存在諸多局限性。膠接易受環境因素影響而老化，可靠性有限。機械緊固則會引起應力集中、增加額外重量，并可能破壞結構的密封性，這些都可能影響產品的長期性能，并增加制造成本與工藝復雜性。

為了突破上述瓶頸，開發能夠制造高強度、輕量化、高性價比混合結構的先進連接技術已成為迫切的戰略需求。以摩擦搭接焊為代表的熱機械焊接技術，通過局部加熱和施加壓力，為實現異質材料間的高質量界面結合提供了極具前景的解決方案。但在焊接過程中，界面處氣泡和裂紋等缺陷的形成，仍然是阻礙其廣泛應用的主要技術障礙。因此，深入理解界面結合的內在機理，并系統研究工藝參數對連接質量的影響規律，對于充分發揮這類混合材料結構的潛力、滿足現代工業的戰略發展要求，具有至關重要的科學意義和應用價值。

針對上述問題，由中國科學院金屬研究所、中國科學技術大學組成的團隊利用澤攸科技ZEM系列掃描電鏡進行了深入研究，團隊通過建立創新的“熱壓比”模型，精準調控了鋁合金與PEEK摩擦搭接焊的界面反應并成功消除焊接氣泡，實現了高達95%基材強度的無缺陷連接。

標題：Interfacial bubble formation and bonding mechanisms in aluminum alloy/polyetheretherketone (PEEK) friction lap welding

期刊：Thin-Walled Structures

網址：https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.114031

焊接缺陷的溯源與形貌表征

研究的首要挑戰在于解決鋁合金與PEEK這種異質材料在摩擦焊接過程中普遍存在的界面氣泡和微裂紋等缺陷。團隊系統性地調整了焊接轉速、速度和下壓深度等關鍵工藝參數，并對不同參數下獲得的接頭進行了細致的分析。為精確揭示這些微觀缺陷的形貌、尺寸與分布，研究人員利用澤攸科技ZEM系列掃描電子顯微鏡對焊縫的橫截面進行了高倍率觀察。結果清晰地顯示，不當的熱量輸入會導致PEEK材料熔融不均或過度降解，從而在界面處形成大小不一的氣泡，這些氣泡嚴重影響了界面的連續性和接頭的可靠性。

圖 不同焊接參數下的摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面

圖 在1200–800–1.2參數下制備的摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面形貌：(a) 氣泡 與 (b) 結合界面

圖  (a) 摩擦搭接焊接頭（FLW）橫截面示意圖，以及在1000–800–1.0參數下制備接頭的橫截面SEM圖像：(b) 工具作用區，(c) 工具作用區的高倍放大圖，(d) 工具影響區

“熱壓比”模型的建立與性能優化

為從根本上控制并消除缺陷，團隊并未停留在現象觀察，而是創新性地提出了一個量化模型——“熱壓比（U）”。該模型將熱量輸入（與轉速、焊接速度、下壓深度相關）與軸向壓力兩個核心物理量相結合，構建了一個無量綱參數。研究發現，界面缺陷的形成與“熱壓比”存在明確的對應關系：當U值低于0.13時，氣泡主要源于PEEK的冷卻收縮，可通過增大壓力來抑制；當U值高于0.13時，氣泡則由PEEK的熱分解產生，需要精細調控熱量來避免。通過該模型的指導，團隊成功找到了U=0.13這一最優工藝窗口，實現了氣泡的完全消除，接頭的拉剪強度達到了1.76 kN，相當于PEEK母材強度的95%。對最優接頭斷裂后的形貌進行的澤攸科技掃描電鏡分析進一步證實，其斷裂模式已從脆弱的界面分離轉變為PEEK材料內部的韌性斷裂，這直觀地證明了界面結合的高質量。

圖 氣泡面積與 (a) 熱壓比參數 d(R/ν)?.?/P 和 (b) 拉剪強度 (TSF) 的關系

圖 在不同參數下制備的接頭工具作用區的橫截面SEM圖像

界面原子尺度鍵合機理的深度解析

在獲得無缺陷、高強度的接頭后，研究的焦點轉向了更深層次的科學問題：鋁合金與PEEK之間究竟是如何實現如此牢固的結合？為了揭示原子尺度的連接機理，團隊利用X射線光電子能譜（XPS）技術對參數焊接后的界面進行了化學成分分析。分析結果驚人地發現，界面處形成了兩種關鍵的化學鍵合：一是PEEK分子鏈上的羰基（-C=O-）與鋁合金表面的氧化鋁發生了反應，形成了穩定的C-O-Al化學鍵；二是鋁合金表面的羥基（-OH）與PEEK中的醚鍵（R-O-R）之間形成了廣泛的氫鍵網絡。這一發現與通過澤攸科技掃描電鏡觀察到的兩種材料間緊密無縫的界面形貌高度吻合，證明了強大的化學鍵合與物理吸附共同作用，是實現高強度連接的根本原因。

圖 (a) 在1200–800–1.0參數下制備的摩擦搭接焊接頭（FLW）的整體斷口形貌；5052Al鋁合金一側在 (b) 工具影響區和 (d–e) 工具作用區的斷口形貌；PEEK一側在 (c) 工具影響區和 (f) 工具作用區的斷口形貌

圖 (a) C1s和(b) O1s的XPS譜圖，采自1000–800–1.0參數焊接后的5052Al表面，以及 (c) 通過摩擦搭接焊（FLW）實現的5052Al/PEEK結合機理示意圖

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，能夠更廣泛地應用于新材料研發、生命科學、失效分析、工業質檢等多個領域，為廣大科研院所和企業用戶提供了一套兼具高性能與高性價比的強大微觀表征解決方案。