太原科技大学李岩团队：偶联剂改性金属加热元件提高碳纤维/聚己内酰胺热塑性复合材料电阻焊强度

【导读】
太原科技大学李岩团队在Polymer Composites发表论文，通过偶联剂改性金属加热元件，提升碳纤维增强聚己内酰胺（PA6）热塑性复合材料的电阻焊接强度。采用硅烷偶联剂 KH550 和钛酸酯偶联剂 UP-201，对304不锈钢金属网进行表面改性。研究发现，偶联剂改性显著提高了焊接接头的剪切强度，其中协同改性后的单 lap 剪切强度达到了 17.95 MPa，较未改性提升 53.9%。本文系统探讨了改性过程中偶联剂的化学反应机制，以及改性对接头力学性能的具体影响，结合多种表征手段，揭示了偶联剂在金属网表面的交联与界面增强机制，为未来高性能热塑性复合材料的连接提供了重要参考。

【成果掠影】
1. 使用硅烷偶联剂 KH550 和钛酸酯偶联剂 UP-201，对金属网表面进行改性，提升界面结合强度。
2. 通过协同改性技术，显著改善了接头的剪切强度，优化了焊接工艺参数。
3. 利用 XPS 和 FT-IR 等手段，深入分析偶联剂改性的化学机理，提供了新的界面增强思路。
4. 改性后的金属网在树脂基体中的润湿性得到优化，接头强度较未改性提升 53.9%。
5. 提供了 KH550 和 UP-201 协同改性的创新实验方案，验证了二者的协同增强效果。

【核心创新点】
1.偶联剂改性工艺创新：
a) KH550（硅烷偶联剂）：KH550 在金属网表面形成了硅氧网络结构（Si-O-Fe 键），提升了金属与 PA6 基体的界面结合强度。通过酸洗和高温氧化预处理，使不锈钢网表面羟基含量增加，从而促进了偶联剂的化学反应。
b) UP-201（钛酸酯偶联剂）： 钛酸酯通过与表面羟基发生缩合反应，形成 Ti-O-Fe 键，同时其长分子链提供了更强的范德华力，增强了界面的分子间相互作用。

2.协同增强机制：
a) 实验表明，KH550 与 UP-201 的协同作用，通过在表面形成 Si-O-Ti 键，进一步提升了焊接接头的剪切强度。
b) 两种改性方法的对比显示，先使用 KH550 处理，再进行 UP-201 改性（stSSM(o)），接头强度最高。
3.实验工艺优化：通过正交实验，优化了酸洗浓度、偶联剂浓度、氧化温度等参数，最大化提升了焊接性能。

四、【数据概览】

图1 KH550 (A) 和 UP-201 (B) 表面改性机制示意图 

图2 SSM 和 sSSM 的表面表征
(A) SSM 和 sSSM 的 FT-IR 光谱
(B) SSM 和 sSSM 的 XPS 光谱
(C) SSM 的 C1s 光谱
(D) sSSM 的 C1s 光谱
(E) SSM 的 Si2p 光谱
(F) sSSM 的 Si2p 光谱

图3 XPS 光谱
(A) sSSM、tSSM 和 stSSM (m) 的 XPS 光谱；
(B) sSSM、tSSM 和 stSSM (o) 的 XPS 光谱；
(C) stSSM (o) 的 Si2p 光谱；
(D) stSSM (o) 的表面改性机制 

图4 耦合剂改性前后的焊接接头
(A) 未使用耦合剂的接头宏观断裂；
(B) 使用 KH550 的接头宏观断裂
(C) 使用 UP-201 的接头宏观断裂
(D) 使用 KH550 和 UP-201 的接头宏观断裂
(E) 未使用耦合剂的接头断裂 SEM 图像
(F) 使用 KH550 的接头断裂 SEM 图像 

五、【成果启示】
1. 技术启示：
偶联剂改性技术为金属-热塑性复合材料的界面增强提供了全新的解决方案。通过改性形成的有机-无机结合层（如 Si-O-Fe、Ti-O-Fe 键），显著提升了接头强度。
2.工业应用：
本研究中提出的协同改性方法可广泛应用于航空、汽车等领域中高性能复合材料的连接工艺，同时也为其他热塑性复合材料的界面优化提供了重要参考。
3.未来研究方向：
优化改性工艺参数以适配更多类型的金属加热元件。探索其他类型的偶联剂（如稀土偶联剂）与金属网的协同改性效果。。

原文详情：Liu, S., Wang, Y., Wu, Z., Li, J., & Li, Y. Enhancing resistance welding strength of carbon fiber/polycaprolactam thermoplastic composites through coupling agent‐modified metal heating elements. Polymer Composites.

本文由叫我帅哥就好了供稿