Немецкие ученые разработали новый способ увеличить прочность склейки алюминия и пластика в гибридных материалах. Для создания прочных контактов ученые предложили обрабатывать поверхность металла инфракрасным лазером, после чего с помощью технологии литья пластмасс под давлением присоединять к нему полимерный материал. Новый метод позволяет получать прочные контакты, сохраняя при этом механические свойства полимерного материала, пишут ученые в Journal of Laser Applications.

За счет правильного выбора компонентов композита можно совместить в одном материале несколько нужных механических, физических или химических свойств. Однако если некоторые пары материалов соединить в единый «гибрид» нетрудно, то с другими могут возникать проблемы. Например, широкому использованию весьма перспективных композитов на основе пластика и легких металлов мешает небольшая сила адгезии между ними, особенно на уровне микроструктуры.

В макроскопических композитах соединение между полимерным материалом и металлом можно усилить за счет механического сцепления — с помощью отверстий или бороздок в металлической части материала. Однако очень часто этот подход не применим, потому что резко ухудшает механические свойства металла. В таких случаях инженеры предлагают увеличивать силу адгезии металла и пластика внутри композитов, специальным образом обрабатывая межфазную границу: делать ее шероховатой, добавлять на нее специальные адгезивы, усиливающие соединение, или обрабатывать перед соединением плазмой, повышая реакционную способность. Тем не менее, бóльшая часть этих подходов до сих пор остаются недостаточно эффективными.

Для решения этой проблемы немецкие ученые под руководством Аннетт Клоцбах (Annett Klotzbach) из Института материалов и лучевых технологий Общества Фраунгофера предложили обрабатывать поверхность металла лазером. Известно, что обработка поверхностей непрерывным лазерным излучением в инфракрасном диапазоне или пикосекундными лазерными импульсами (длительность одного такого импульса примерно в триллион раз меньше секунды) позволяет нанести на нее периодический массив параллельных канавок.

В качестве металла авторы исследования выбрали алюминий, который чаще всего используют для получения прочных композитов сравнительно небольшой плотности. Его поверхность обрабатывали с использованием двух подходов — облучая поверхность непрерывным излучением с длиной волны 1070 нанометров и максимальной мощностью 1,5 киловатта или короткими импульсами длительностью 20 пикосекунд с длиной волны 1064 нанометров, средней мощностью 20 ватт и частотой 200 килогерц. В зависимости от режима обработки ученым удалось получить канавки различной глубины — 158 микрометров при использовании непрерывного облучения и 40 микрометров — при использовании пикосекундных импульсов.

В случае с более мелкими канавками два компонента материала — алюминий и полимер — сразу отрывались друг от друга, однако в случае с глубокими канавками удалось получить прочное соединение. Силу склеивания ученые оценили с помощью измерений предельной сдвиговой прочности, которая оказалась выше при использовании непрерывного облучения и составила 11,9 мегапаскаля — это значительно меньше, чем у однородных материалов, например сталей, но выше, чем у аналогичных композитных материалов на основе металла и полимеров. При этом полученный композитный материал оказался очень близок по механическим свойствам к полиамиду. Так, предел прочности при растяжении составил 55 мегапаскалей — 89 процентов от прочности использованного полиамида PA6,6.

Авторы работы отмечают, что они не изучали изменение прочности контакта при изменении температуры. Кроме того, для использования предложенной методики в будущем необходима ее доработка для поиска оптимальных параметров излучения, однако уже сейчас ясно, что метод непрерывного лазерного облучения можно использовать для создания прочных гибридных материалов на основе пластика и алюминия. Метод импульсного излучения оказался неподходящим для подобных целей.

Часто для увеличения прочности контактов ученые используют на стыках специальные адгезивные вещества. Например, недавно ученые обнаружили, что одним из необычных проводящих вариантов подобного «клея» может быть галлий — с помощью него можно склеивать между собой пластик, металл и стекло.