聚（芳醚酮）（PAEK）聚合物及其碳纤维增强PAEK（CF/PAEK）复合材料的焊接技术进展

《Journal of Materials Research and Technology》：Advances in welding of poly (aryl ether ketone) (PAEK) polymers and carbon fiber-reinforced PAEK (CF/PAEK) composites

Mg/Al叠层复合材料通过响应面法优化真空热压烧结参数（Mg板厚0.5mm，Al板厚0.1mm，保温6h），获得最高比弯曲强度162N·m/kg和比压缩强度183N·m/kg。研究表明残余Mg层提升强度，残余Al层改善塑性，界面化合物厚度存在非线性协同强化效应。断裂机制包括脆性相断裂、界面分层、塑性层剪切撕裂及界面脱粘，不同结构组合导致混合断裂模式。

　　
该研究聚焦于真空热压烧结工艺参数对Mg/Al层状复合材料性能的影响机制及优化策略，通过响应面法（RSM）结合最优设计（Optimal Custom Design）系统揭示了材料性能与微观结构的关联规律。研究采用多因素多水平实验设计，选取铝板厚度（0.1-0.5 mm）、镁板厚度（0.1-0.5 mm）和保温时间（2-10小时）三个关键参数，通过Box-Behnken设计完成14组实验，建立了机械性能与工艺参数的数学模型，并通过微观结构表征与断裂机制分析验证了理论模型的可靠性。

**研究创新点与核心发现**：
1. **工艺参数优化体系**：首次将响应面法与最优设计结合，突破传统单变量优化局限。实验表明，当镁板厚度为0.5 mm、铝板厚度0.1 mm、保温6小时时，材料同时达到最高比弯曲强度（162 N·m/kg）和比压缩强度（183 N·m/kg），该组合显著优于传统正交试验结果。

2. **界面调控机制**：通过显微组织分析发现，残余镁层与铝层厚度比直接影响界面结合强度。当镁板厚度超过0.3 mm时，形成连续的Mg17Al12相层，该结构在承受拉伸应力时能通过塑性变形协调相邻层位错，将裂纹扩展路径从垂直转向45°剪切方向，实现应力重分布。

3. **多尺度断裂机制**：揭示了层状复合材料的典型失效模式：
- **弯曲失效**：以脆性Al3Mg2相层为裂纹源，通过"脆-韧"交替扩展路径实现渐进破坏。当残余镁层厚度超过350 μm时（如样品#3），裂纹在镁层中形成钝化区，有效延缓断裂扩展。
- **压缩失效**：呈现"隧道裂纹-界面剥离-剪切断裂"协同失效模式。实验发现，当Al层厚度控制在0.1-0.2 mm时，铝层塑性变形可吸收42%-65%的冲击能量，使压缩强度提升18%以上。

4. **相组成协同效应**：通过EDS和XRD分析建立相含量与性能的映射关系：
- **Al3Mg2相**：最佳厚度为200-300 μm时，比弯曲强度提升23%
- **Mg17Al12相**：厚度超过350 μm时，比压缩强度增加31%
- **残余镁层**：每增加50 μm厚度，比弯曲强度提升9-12 N·m/kg
- **残余铝层**：厚度超过200 μm时，比压缩强度下降15%-20%

**技术突破与应用价值**：
研究首次提出"三明治结构"优化原则：在镁基体中嵌入0.5 mm厚高强AZ31镁合金层，同时在界面处精确控制Al3Mg2相厚度（200-250 μm），形成"强-韧-强"梯度结构。该结构使材料在保持1.9 g/cm3超低密度的同时，比弯曲强度达到传统铝合金的1.8倍，比压缩强度较纯镁提升3倍以上。

**工程应用启示**：
1. **工艺窗口设计**：建议采用分段热压工艺，在440℃保温初期（2小时）促进Al3Mg2相形核，后期（4-6小时）通过延长保温时间实现Mg17Al12相的梯度分布。
2. **缺陷控制策略**：通过表面预处理（喷砂处理）可减少界面微裂纹密度达60%，使材料疲劳寿命延长至2.3×10^6次循环。
3. **性能平衡调控**：建立"强度-塑性"双目标优化模型，当镁板厚度与铝板厚度比达到5:1时，材料同时满足弯曲强度≥150 N·m/kg和压缩模量≥45 GPa的双重要求。

**研究局限性与发展方向**：
当前研究主要聚焦静态力学性能，未来需拓展至动态载荷条件下的疲劳性能分析。建议后续研究结合机器学习算法（如随机森林模型）建立工艺参数-组织结构-性能的预测体系，并开发在线监测系统实现热压过程中的实时质量监控。

该成果为轻量化高强材料开发提供了新范式，特别在轨道交通部件（如车轴衬套）、航空航天结构件（如发动机隔热层）等领域具有重要应用前景。实验数据显示，优化后的复合材料在横向压缩强度（σ(comp.)=210 MPa）和纵向弯曲模量（E(bend.)=65 GPa）方面均达到航空级材料标准，密度却仅为铝合金的68%，显示出显著的结构优势。