碳纖維熱塑性復合材料(CFRTP)具有比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐熱性好等特點，是輕量化制造的重要材料，在航空航天、新能源汽車領域應用前景廣闊。實現CFRTP材料之間及CFRTP與金屬材料之間高質量的連接是其應用的一個關鍵技術。激光連接技術具有速度快、強度高、振動應力、工藝靈活等特點，在CFRTP與金屬材料連接上較膠結、機械連接等技術具有優勢。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進制造技術所激光與智能能量場制造團隊與北京大學深圳研究院合作，對CFRTP/異質金屬結構的激光連接機理和工藝進行了研究。利用激光直接連接技術實現了CFRTP與不銹鋼的連接，研究了界面狀態對CFRTP/不銹鋼激光連接質量的影響規律，對接頭的連接機理和失效機制進行了分析，同時對缺陷控制工藝進行了探索性研究，相關成果發表在《材料加工技術雜志》（Journal of Materials Processing Technology）上；在考慮CFRTP/不銹鋼界面接觸熱導率的基礎上建立了激光連接熱效應數學模型，利用有限元方法對連接熱效應進行了仿真計算，分析發現該模型可準確表征夾具壓力對激光連接質量的影響，較傳統數學模型可有效提高熱效應仿真的準確性，相關研究發表在《中國激光》 (2017,44(4):0402002.）上；通過對金屬界面進行微織構處理可顯著提高連接強度，申請發明專利2項，授權1項（熱塑性復合材料焊接方法CN201510014414.4）。
該項目得到國家自然科學基金“兩化融合”聯合基金（U1609208）、浙江省公益技術應用研究項目（2017C31082）、中科院青促會（2017343）、深圳市基礎研究布局項目（JCYJ20150529162228734）的支持。
圖1 CFRTP/不銹鋼接頭中的氣泡
圖2 拉伸試件斷裂形貌
圖3 熱接觸模型和傳統模型比較及熱效應仿真
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