隨著科技的發展和新材料的開發，鋁合金材質以其密度低、導熱性能好、易于加工和表面處理等優勢在汽車、家電、消費電子、航空航天和建筑等行業得到廣泛的應用。尤其是當前環保越來越受到關注，為減輕自重、降低油耗，鋁材在飛機、汽車上作為結構件得到大量應用。

研究表明，目前美國汽車用鋁大致為：鑄鋁77%、鋁板11%、擠壓鋁材12%，并且主要應用在發動機（缸體、缸蓋、活塞）、熱交換器（散熱器、加熱器、制冷機蒸發器、油冷卻器、中間冷卻器）、渦輪增壓器、變速箱殼體、減震器、轉向管柱、車架橫梁、副車架、車輪及車身等部件上。在消費電子領域，鋁材以其穩重大方，較高的強度，良好的質感，在手機、平板和筆記本電腦外殼上使用是一種很好的選擇。蘋果系列零部件一直鐘情于鋁合金殼體的使用，就連一向倚重塑料外殼的三星也抵擋不了這股潮流，2015年和2016年，由金屬結構件組成的三星智能手機的發貨量分別達到1億部和1.7億部。2015年和2016年金屬手機結構件的滲透率分別為33%和38%，

從消費電子的發展趨勢上看，零件外觀創新的首要途徑是機殼的金屬化，因為金屬與塑料在性能和感覺上有著完全不同的表現。

消費者對于產品的美觀與質感有著剛性需求。從材料角度看，金屬機殼對無線電信號存在一定程度的屏蔽；從生產角度來看，全金屬機殼加工比塑料難度大，要使用大量的CNC機床，尤其是復雜零件結構，加工成本非常高。另外，移動終端金屬結構如果設計成一個閉環結構，電磁屏蔽的效應會非常明顯，手機無法正常接收信號，所以移動終端的金屬結構件是一個開環結構，工程塑料對無線信號沒有干擾和屏蔽作用，使用工程塑料作為金屬間連接是很好的選擇，但這2種材料的差異非常大，無法使用常規方法進行結合，因此開發一種金屬和塑料的超強結合工藝是市場導向下的必備技術，既利用了金屬的強度高、散熱好的特點，又結合了塑料無射頻信號屏蔽、復雜結構零件易于成型的優勢，且降低了零件的生產成本，金屬件與塑料結合工藝應用零件如圖2所示。

圖2 金屬件與塑料結合工藝應用零件

目前，金屬與塑料結合工藝處理方法較多，各有優缺點，鋁塑結合工藝常用方法如表2所示。

拉膠結構法是直接在金屬件上提前加工出拉膠結構，金屬件表面在后續注射塑料熔體時，塑料熔體能嵌入金屬件拉膠結構中，增加二者結合力，該法適合于零件結構強度要求不高時使用。

焊接法是用熱空氣、超聲波、高頻，紅外或激光等方式加熱預留塑料面或鉚柱，使塑料熔化再壓緊，實現塑料金屬間連接的方法。

激光照射法是采用連續波激光照射，在金屬零件表面加工出布線圖案，金屬零件表面注射塑料熔體后形成類似樹脂縫合結構，加強金屬與塑料之間結合力的方法。

膠粘法是在零件的連接區域直接涂覆膠水，把金屬和塑料連接在一起的方法。

以上方法在工業上應用時間較長，工藝較成熟，但均不同程度存在一些缺點，如拉膠結構法零件上2種材料的結合力較弱，焊接法對操作人員要求較高，激光照射法設備投資大，不適合零件形狀復雜結構，生產效率相對較低。膠粘法要求零件2種材料粘結區域結構簡單。

相對于以上這些方法，納米成形技術（nanomoldingtechnology，NMT）采用化學、電化學方法在金屬表面形成眾多的微納米孔洞，注射成型時，塑料與孔洞上部或外部的化學物質發生化學反應，把金屬與塑料牢牢鉚接在一起，其結合力是目前金屬與塑料結合工藝中最高的，加工成本低，能很好地滿足零件的功能和外觀要求，實現零件輕量化，簡化零件結構，具有良好的應用前景。

納米成形技術最初是由日本大成普拉斯株式會社成富正德先生發明的，大成公司采用化學處理的方式，在鋁、鎂、不銹鋼等材料表面上獲得特定的形狀、一定尺寸、眾多規則的納米孔洞，并在納米孔洞中形成一層薄膜。在模內注射時，塑料熔體與這層薄膜發生化學作用，使塑料熔體能夠滲入到微納米孔中，塑料熔體與金屬通過千千萬萬微孔的“嵌入”作用，牢固地結合成一個整體，表現出極強的粘接力。大成公司根據其公司的英文名稱首字母，把該金屬處理工藝命名為“T處理”，大成公司發明的T處理主要經過堿洗、酸洗、T處理、水洗4個步驟。堿洗的主要目的為除去金屬表面的油污，酸洗可以將金屬光滑表面變成“珊瑚礁”結構的納米級空洞，T處理進一步將金屬表面變成尺寸更小的納米級空洞、并殘留在孔洞里面，水洗可以將大部分T液洗去，但不會將納米孔洞里面的T液清洗掉。鋁合金T處理前后的掃描電鏡圖和納米注射后的剖面掃描電鏡圖如圖3所示。

圖3 鋁合金零件T處理前后的掃描電鏡圖

和納米注射后的剖面掃描電鏡圖

NMT的優勢在于可以降低零件的整體厚度與高度，減輕零件的質量，在保證零件強度的同時，大大簡化金屬結構和模具結構，降低生產成本，另外因其零件外觀為金屬，可很好地提升零件質感和檔次。

在后續的幾年內，大成普拉斯株式會社陸續研究了銅和銅合金、不銹鋼、鎂和鎂合金、鈦合金以及普通鋼材等金屬零件與樹脂組合物接合的納米成形技術，并申請了相關專利。同期，國內也開發了一系列NMT處理液，并進行了類似的命名，如E處理液、B處理液、F處理液、ECIM和一些公司的C處理液等。2014年，日本東亞電化公司開發了新型的金屬塑料接合方法，對其接合原理及其制造方法申請了相關專利，并命名為TRI工藝。這幾種工藝方法的優缺點如表3所示。

綜合目前市場上的NMT來看，其工作機理主要為3種，一是化學處理+化學藥劑；二是電化學處理+化學藥劑；三是物理處理如激光處理。化學處理和電化學處理的作用是在金屬零件上形成微納米孔洞，化學藥劑的作用是填充這些孔洞或在孔洞上部或外部生成一層反應膜，在金屬零件上注射塑料熔體時，化學藥劑與熱塑性樹脂末端官能團發生化學反應，形成共價鍵或酸堿結合，從而增大金屬與塑料的結合力。而激光處理在金屬零件上形成的納米孔無需化學藥品二次處理，直接在金屬零件上注射塑料熔體即可。

目前國內外開發了多款用于NMT注射成型的聚苯硫醚（PPS）和聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT），材料的性能與國外材料性能相近，PBT和PPS納米注射成型零件的綜合性能對比如表4所示。

NMT所用原材料包括塑料和金屬基材，其中塑料通常為PPS和PBT，PA類材料也可用于NMT注射成型材料，但在后續陽極氧化處理時，PA易變色發黃且吸水率高，結合強度耐久性差，PPS一般只能做成深色，很難做淺色，PBT可以做淺色。另外為了匹配2種材料的熱膨脹系數，塑料中會添加部分纖維如玻璃纖維、碳纖維等，添加比例一般20%~50%，使塑料的熱伸縮程度與金屬相近。不同牌號PPS材料納米注射成型零件上2種材料結合力性能比較（E處理）如表5所示。

經驗證，目前有多種金屬材料可以用于NMT，如鋁及其合金、鎂及其合金、銅及其合金、不銹鋼、鈦及其合金等，常用的幾種金屬材料牌號見表6。

該環節包括造孔和化學藥劑處理，造孔通常采用化學或電化學法，在金屬表面形成微納米級孔洞，再用化學藥劑填充這些孔洞或在孔洞上部或外部生成一層反應膜，形成與陽極氧化覆膜中的Al2O3結合的化學鍵，并在后續注射成型時，在高溫高壓條件下，這些化學物質與熱塑性樹脂的末端官能團之間形成共價鍵或酸堿結合，從而獲得更牢固的結合強度和耐久性。金屬表面處理反應機理如圖4所示。

圖4 金屬表面處理反應機理

納米注射模結構對零件上2種材料結合力的影響主要為，在材料結合部位保證一定的粘著面積的前提下，模具結構設計時局部區域要使塑料熔體能夠滲入金屬零件表面，如在金屬零件上設計T形槽、設計的脫模角度、合理的進澆口位置，另外，模具型腔的排氣要充分，保證塑料熔體能夠充分進入到金屬零件微納米孔洞中，在零件一些重要位置設置拉膠結構需要專門設計和反復驗證。典型的NMT注射模結構如圖5所示。

圖5 典型的NMT注射模結構

NMT的納米注射成型屬于嵌件注射成型，成型過程中料溫、模溫、注射壓力、熔體注射速度和型腔排氣對最終成型零件合格率影響較大。料溫要嚴格依據塑料物性表要求進行調整，注射壓力、熔體注射速度要依據零件實際情況反復驗證、確認效果后設定。此外鋁材注射成型前的預熱溫度也很重要，要保證鋁材注射成型前的預熱溫度與模溫一致。模溫通常要達到140℃以上，在此條件下，熱塑性樹脂末端的官能團才能更充分地與陽極氧化覆膜上的化學物質發生化學反應。金屬手機殼納米注射成型加工工藝流程如圖6所示。

圖6 金屬手機殼納米注射成型加工工藝流程

從2003年大成普拉斯株式會社發明鋁合金T處理方法以來，NMT的發展已有十多年的時間，期間其產業化應用逐漸得到了加強，在電子、汽車、高鐵和航空航天零件、化學電源制品、管道連接等方面均有應用。NMT的應用，極大地豐富了設計人員的結構設計思路，降低了零件加工成本和零件質量，為異種材料的接合應用打下了堅實基礎。幾種NMT應用案例如圖7所示。

圖7 NMT應用舉例

隨著金屬和塑料材料相結合零件的使用越來越廣泛，NMT在滿足工業化需求方面的前景也將越來越廣闊，今后，NMT主要解決以下幾方面的問題：

（1）擴展塑料和金屬材料相結合的應用種類，讓更多的材料滿足使用要求。

（2）提高金屬與塑料之間整體結合強度和密封性，避免局部區域開裂和后處理零件表面產生白斑。

（3）延長NMT處理零件成型前放置時間，降低零件失效風險。

（4）研究大尺寸零件NMT處理方法，降低生產成本。

▍原文來源：《模具工業》2016年第8期

▍原文作者：謝守德，王長明，韓靜，劉秀強，周國榮

▍作者單位：東莞勁勝精密組件股份有限公司