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先进的金属替代:纳米晶体金属/聚合物复合技术

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 杜邦公司  &nbs 点击:
为减轻重量并整合汽车系统各组件的功能,杜邦工程聚合物公司开发出了MetaFuse晶体金属/聚合物复合技术。MetaFuse是一种革新的“金属包覆”技术,不仅进一步改善了材料性能,而且为产品设计者提供了一种全新的设计自由度。

背景

工程聚合物被广泛地应用于工业领域,以提供材料方面的解决方案,如产品制造中成本、质量、性能和外观等方面的优化。从消费品到重工业领域,用工程聚合物制造出的产品无所不在,并被广泛用作金属替代品。工程聚合物能够替代金属,其优点在于:具有较小的质量,以及优良的强度/重量比;抗腐蚀性;设计上的灵活性,允许复杂形状下的部件组合和装配;低廉的加工成本和极少的附加生产步骤。

目前,高性能聚合物和先进的增强体系发展迅速,使得工程聚合物作为可行的金属替代品能够进一步应用于要求非常苛刻的领域。不过,即使是最新研究出的工程聚合物,仍然在力学性能上与金属有较大的差距,限制了其在某些领域的应用。图1为工程聚合物和一些金属在典型的强度和硬度性能方面的对比图。


图1 工程聚合物和某些金属在强度和刚度性能方面的对比

替代技术的研究和发展拓宽了材料解决方案的范围,进一步缩小了材料性能的差距。一些新的技术使金属和聚合物结合在一起成为复合体系,从而综合了两种材料的性能。新技术的发展也使更多传统金属薄板和其他金属成形板材的包覆成型技术获得了改进,不过,在将两种材料进行机械连接的可靠性方面以及设计加工的复杂性方面,仍不够完善。

MetaFuse纳米晶体金属/聚合物复合体系是一种新型的金属/聚合物复合技术,由杜邦工程聚合物公司及其合作伙伴加拿大Morph Technologies公司、Integran Technologies公司和美国PowerMetal Technologies公司联合推出。MetaFuse复合技术使用了一种独特的加工方法,即将一层超高强度的金属薄层复合在由工程聚合物成型的部件上,可以在复杂的形态上创造出轻质部件,同时具有像镁或铝一样的刚度以及更高的强度。这种复合体系中的金属薄层很独特。它以金属纳米晶体的微观结构为基础,与其他传统金属沉积工艺相比,这种结构具有无法比拟的高强度。该复合体系的结构示意图如图2所示。


图2 纳米晶体金属/聚合物复合体系

纳米晶体金属

MetaFuse复合技术中应用的金属薄层具有超高的强度,并且是以一种特有的加工方法为基础的,即在材料加工过程中,通过控制金属合金的微观结构,从而实现对材料的设计。在金属加工的前期,虽然有一些改变微观结构的方法(包括加入合金成分、热处理和冷加工),但MetaFuse方法却带来了突破性的进展,它可以在高成本效益下形成全致密的纳米晶体材料。其典型特点是,金属拥有多晶体微观结构,这样的结构由一组单个小晶体组成,即晶粒。各种各样的金属结构具有相同的化学成分,却具有多样化的物理性质。这些不同是由于微观结构的改变而引起的,其中晶粒的尺寸是影响材料性质的原因之一。经验性的Hall-Petch关系描述了材料屈服强度随其晶粒尺寸的大小变化而改变的规律。

式中,σy代表屈服强度,A和B代表物质常数,d代表平均晶粒尺寸。

从上述的方程式中可以看出,晶粒尺寸越小,屈服强度越高。其他的性能,如拉伸强度、硬度、耐磨性和摩擦系数也随着晶粒尺寸的减小而增大。MetaFuse技术提供了一种生产细晶粒材料的方法。这种高度优化的加工工艺将晶粒尺寸从微米级缩小到纳米级,数量级相差1000倍。图3是两张显微镜照片,显示了纳米晶体金属和常规金属在晶粒结构上的区别,同时表中列出了纳米晶体镍和常规镍的一些性能。


图3 a)大晶粒尺寸的多晶材料;b) 纳米晶体材料(Integran Technologies Inc公司 2006年)

纳米晶体金属的平均晶粒尺寸约为20 nm,是常规金属尺寸的1/1000,其强度是典型钢铁和装饰镍铬合金强度的2~3倍。这些纳米晶体金属合金不仅展示出了优于常规金属的高强度,而且具有与其他高强度金属相媲美的性能。图4为纳米金属合金、高强度金属以及压铸态的铝和镁之间的性能对比。由于该技术可将纳米金属沉积到塑料部件表面,从而允许金属成形复杂的形状,但传统的高强度金属就很难做到这一点。


图4 纳米金属合金、高强度金属和其他金属的对比

由于纳米晶体金属合金具有明显优于常规金属的高强度,因此将这种相对较薄的金属层应用于塑料材料表面,可以制造出具有结构特性的复合构架,而这不同于其他的金属沉积技术,如传统的电镀法和气相沉积法。

MetaFuse纳米金属/塑料复合技术

MetaFuse纳米金属/塑料复合技术是将纳米晶体金属应用在一个成型聚合物指定区域上,从而提高聚合物的刚度和其他的性能。MetaFuse技术应用了杜邦独特的工程聚合物和专有的加工工艺。这个系统独一无二的特点是,它可以把金属放置在最优化的位置,从而提高刚度。金属和塑料部件在许多实际应用中,都要受到负载,结果产生弯曲应力。对于弯曲载荷,纳米金属涂层产生效果最佳的位置是在整个部件的最外沿,即离中心轴的最远地方。而这正是承受最大拉伸和压缩应力的位置,因为应力分布是与中心轴的距离成正比的。

将具有优良强度和弹性的纳米金属置于此处,则可以使材料更好地承受负载。同时,部件的弯曲刚度也得到了增强,因为它取决于材料的模量和转动惯量,并且该涂层的转动惯量会随着涂层与中心轴距离的增加而呈指数增长。而通过以辐射状向外移动涂层来提高转动惯量,抗扭刚度和强度也得到了改善。

常规镍和纳米镍的性能对比(美国材料资讯学会,1990年)

通过使用若干种不同的工程聚合物基体,对MetaFuse进行性能测试,以确定有关其性能的一些规律。例如,将25%的玻璃纤维增强Zytel PA66聚合物,注塑成型为符合ISO标准的拉伸试验样条,然后用100μm的镍/铁纳米晶体合金进行包覆,并封闭试样,然后对其进行物理性能测试。图5所示为常温下,纳米金属/塑料复合材料和纯塑料在3个方面的性能对比:通过弯曲模量测得的抗弯刚度,拉伸强度,以及通过多轴向冲击测得的冲击强度。


图5 物理性能的对比

图5所示数据表明,在弯曲模量和抗冲击强度性能方面,金属/塑料复合材料比纯塑料材料高2~4倍。这些性能完全依赖于样条的几何形状、金属厚度和基体塑料材料,其中抗拉强度与金属用量成正比。

为了进一步证明MetaFuse纳米金属/塑料复合材料的工程结构性能,图6显示了其载荷/形变曲线,该曲线以悬臂梁载荷为例,将Zytel HTN作为塑料基材,通过改变基材的厚度而得到。若改变金属厚度或分布可以测得类似的性能。


图6 纳米金属/塑料复合材料的载荷-形变曲线

测试也显示,在一定的温度范围内,MetaFuse纳米金属/塑料复合材料能够保持其优良的结构特性,而纯塑料材料会发生严重的性能损失。图6给出了塑料和纳米金属/塑料复合材料的动态力学分析(DMA)的对比数据。DMA是研究和表征材料性能的一种技术,即在一个非常宽的温度范围内,分析样品在负载条件下发生变形的情况。以此确定样品的刚度后,可计算该样品的模量。图7给出了塑料材料和MetaFuse复合材料的模量随温度变化曲线。可以看出,当温度超过了塑料基材的玻璃化转变温度时,金属/塑料复合材料样品仍可保持其最初模量的70%~80%。此数据表明,MetaFuse复合技术允许聚合物在高于以往的温度下应用于结构件上,并且其工作温度范围扩大了50~75℃。值得注意的是,这一结果取决于所使用的塑料基材的性能。


图7 塑料材料和MetaFuse复合材料的模量随温度变化曲线

在许多实际的应用中,可能不需要纳米金属覆层包覆塑料部件的全部表面。在这样的情况下,可以使用纳米晶体金属仅包覆部件的部分指定区域。图8给出了几种选择性纳米金属覆层的定义。

尽管本文主要讨论了刚度和强度性能,但MetaFuse纳米金属/塑料复合材料也使塑料材料一些其他性能得到提高,例如耐磨性、抗蠕变性、电导性、耐化学性、电磁(EMI)屏蔽、气/液渗透性、紫外光稳定性以及吸湿稳定性等。


图8 几种纳米金属覆层的定义

应用领域

MetaFuse纳米金属/塑料复合材料可为制品生产提供高性能的材料及全新的设计自由:在最小的重量下具有较高的强度和刚度;复杂形状结构组件的直接装配;提高了在更高温度下的塑料部件的强度、刚度和抗蠕变性;增强了抗压性和耐磨性,并潜在地降低了涂层和塑料之间的摩擦力;使塑料具有更好的非渗透性、传导性以及尺寸稳定性;具有完美的金属外观。

因此,该技术在汽车、消费类电子、体育用品以及其他潜在的领域拥有广泛的应用价值。例如:发动机油底壳、气缸盖罩、水和油泵、垫片座/垫片系统、发动机正时链的张紧器臂、变速箱壳和组件、燃油分配管、汽车电动马达、电气件外壳和罩盖、方向盘转向支架和转向系统组件、悬架/控制臂、手机框架和手机壳、自行车组件、渔线轮和高尔夫俱乐部的司机帽盔等。

目前,PowerMetal公司已将一种纳米晶体/聚合物复合材料的高尔夫球棍推向市场,命名为“Epic”,该产品应用了其Nanofuse品牌技术。PowerMetal公司的这项技术也在体育和娱乐器材市场上得到了应用。

总之,MetaFuse纳米金属/塑料复合材料可以使聚合物应用于条件更为苛刻的领域,用于制造超轻质部件,使得部件不仅具有像金属一样较高的强度和刚度,同时也具备了高性能热塑性塑料的设计灵活性及重量轻的优点。

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