随着科技的发展和新材料的开发，铝合金材质以其密度低、导热性能好、易于加工和表面处理等优势在汽车、家电、消费电子、航空航天和建筑等行业得到广泛的应用。尤其是当前环保越来越受到关注，为减轻自重、降低油耗，铝材在飞机、汽车上作为结构件得到大量应用。
研究表明，目前美国汽车用铝大致为：铸铝77%、铝板11%、挤压铝材12%，并且主要应用在发动机（缸体、缸盖、活塞）、热交换器（散热器、加热器、制冷机蒸发器、油冷却器、中间冷却器）、涡轮增压器、变速箱壳体、减震器、转向管柱、车架横梁、副车架、车轮及车身等部件上。在消费电子领域，铝材以其稳重大方，较高的强度，良好的质感，在手机、平板和笔记本电脑外壳上使用是一种很好的选择。苹果系列零部件一直钟情于铝合金壳体的使用，就连一向倚重塑料外壳的三星也抵挡不了这股潮流，2015年和2016年，由金属结构件组成的三星智能手机的发货量分别达到1亿部和1.7亿部。2015年和2016年金属手机结构件的渗透率分别为33%和38%，
从消费电子的发展趋势上看，零件外观创新的首要途径是机壳的金属化，因为金属与塑料在性能和感觉上有着完全不同的表现。
消费者对于产品的美观与质感有着刚性需求。从材料角度看，金属机壳对无线电信号存在一定程度的屏蔽；从生产角度来看，全金属机壳加工比塑料难度大，要使用大量的CNC机床，尤其是复杂零件结构，加工成本非常高。另外，移动终端金属结构如果设计成一个闭环结构，电磁屏蔽的效应会非常明显，手机无法正常接收信号，所以移动终端的金属结构件是一个开环结构，工程塑料对无线信号没有干扰和屏蔽作用，使用工程塑料作为金属间连接是很好的选择，但这2种材料的差异非常大，无法使用常规方法进行结合，因此开发一种金属和塑料的超强结合工艺是市场导向下的必备技术，既利用了金属的强度高、散热好的特点，又结合了塑料无射频信号屏蔽、复杂结构零件易于成型的优势，且降低了零件的生产成本，金属件与塑料结合工艺应用零件如图2所示。
图2 金属件与塑料结合工艺应用零件
目前，金属与塑料结合工艺处理方法较多，各有优缺点，铝塑结合工艺常用方法如表2所示。
拉胶结构法是直接在金属件上提前加工出拉胶结构，金属件表面在后续注射塑料熔体时，塑料熔体能嵌入金属件拉胶结构中，增加二者结合力，该法适合于零件结构强度要求不高时使用。
焊接法是用热空气、超声波、高频，红外或激光等方式加热预留塑料面或铆柱，使塑料熔化再压紧，实现塑料金属间连接的方法。
激光照射法是采用连续波激光照射，在金属零件表面加工出布线图案，金属零件表面注射塑料熔体后形成类似树脂缝合结构，加强金属与塑料之间结合力的方法。
胶粘法是在零件的连接区域直接涂覆胶水，把金属和塑料连接在一起的方法。
以上方法在工业上应用时间较长，工艺较成熟，但均不同程度存在一些缺点，如拉胶结构法零件上2种材料的结合力较弱，焊接法对操作人员要求较高，激光照射法设备投资大，不适合零件形状复杂结构，生产效率相对较低。胶粘法要求零件2种材料粘结区域结构简单。
相对于以上这些方法，纳米成形技术（nanomoldingtechnology，NMT）采用化学、电化学方法在金属表面形成众多的微纳米孔洞，注射成型时，塑料与孔洞上部或外部的化学物质发生化学反应，把金属与塑料牢牢铆接在一起，其结合力是目前金属与塑料结合工艺中最高的，加工成本低，能很好地满足零件的功能和外观要求，实现零件轻量化，简化零件结构，具有良好的应用前景。
纳米成形技术最初是由日本大成普拉斯株式会社成富正德先生发明的，大成公司采用化学处理的方式，在铝、镁、不锈钢等材料表面上获得特定的形状、一定尺寸、众多规则的纳米孔洞，并在纳米孔洞中形成一层薄膜。在模内注射时，塑料熔体与这层薄膜发生化学作用，使塑料熔体能够渗入到微纳米孔中，塑料熔体与金属通过千千万万微孔的“嵌入”作用，牢固地结合成一个整体，表现出极强的粘接力。大成公司根据其公司的英文名称首字母，把该金属处理工艺命名为“T处理”，大成公司发明的T处理主要经过碱洗、酸洗、T处理、水洗4个步骤。碱洗的主要目的为除去金属表面的油污，酸洗可以将金属光滑表面变成“珊瑚礁”结构的纳米级空洞，T处理进一步将金属表面变成尺寸更小的纳米级空洞、并残留在孔洞里面，水洗可以将大部分T液洗去，但不会将纳米孔洞里面的T液清洗掉。铝合金T处理前后的扫描电镜图和纳米注射后的剖面扫描电镜图如图3所示。
图3 铝合金零件T处理前后的扫描电镜图
和纳米注射后的剖面扫描电镜图
NMT的优势在于可以降低零件的整体厚度与高度，减轻零件的质量，在保证零件强度的同时，大大简化金属结构和模具结构，降低生产成本，另外因其零件外观为金属，可很好地提升零件质感和档次。
在后续的几年内，大成普拉斯株式会社陆续研究了铜和铜合金、不锈钢、镁和镁合金、钛合金以及普通钢材等金属零件与树脂组合物接合的纳米成形技术，并申请了相关专利。同期，国内也开发了一系列NMT处理液，并进行了类似的命名，如E处理液、B处理液、F处理液、ECIM和一些公司的C处理液等。2014年，日本东亚电化公司开发了新型的金属塑料接合方法，对其接合原理及其制造方法申请了相关专利，并命名为TRI工艺。这几种工艺方法的优缺点如表3所示。
综合目前市场上的NMT来看，其工作机理主要为3种，一是化学处理+化学药剂；二是电化学处理+化学药剂；三是物理处理如激光处理。化学处理和电化学处理的作用是在金属零件上形成微纳米孔洞，化学药剂的作用是填充这些孔洞或在孔洞上部或外部生成一层反应膜，在金属零件上注射塑料熔体时，化学药剂与热塑性树脂末端官能团发生化学反应，形成共价键或酸碱结合，从而增大金属与塑料的结合力。而激光处理在金属零件上形成的纳米孔无需化学药品二次处理，直接在金属零件上注射塑料熔体即可。
目前国内外开发了多款用于NMT注射成型的聚苯硫醚（PPS）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），材料的性能与国外材料性能相近，PBT和PPS纳米注射成型零件的综合性能对比如表4所示。
NMT所用原材料包括塑料和金属基材，其中塑料通常为PPS和PBT，PA类材料也可用于NMT注射成型材料，但在后续阳极氧化处理时，PA易变色发黄且吸水率高，结合强度耐久性差，PPS一般只能做成深色，很难做浅色，PBT可以做浅色。另外为了匹配2种材料的热膨胀系数，塑料中会添加部分纤维如玻璃纤维、碳纤维等，添加比例一般20%~50%，使塑料的热伸缩程度与金属相近。不同牌号PPS材料纳米注射成型零件上2种材料结合力性能比较（E处理）如表5所示。
经验证，目前有多种金属材料可以用于NMT，如铝及其合金、镁及其合金、铜及其合金、不锈钢、钛及其合金等，常用的几种金属材料牌号见表6。
该环节包括造孔和化学药剂处理，造孔通常采用化学或电化学法，在金属表面形成微纳米级孔洞，再用化学药剂填充这些孔洞或在孔洞上部或外部生成一层反应膜，形成与阳极氧化覆膜中的Al2O3结合的化学键，并在后续注射成型时，在高温高压条件下，这些化学物质与热塑性树脂的末端官能团之间形成共价键或酸碱结合，从而获得更牢固的结合强度和耐久性。金属表面处理反应机理如图4所示。
图4 金属表面处理反应机理
纳米注射模结构对零件上2种材料结合力的影响主要为，在材料结合部位保证一定的粘着面积的前提下，模具结构设计时局部区域要使塑料熔体能够渗入金属零件表面，如在金属零件上设计T形槽、设计的脱模角度、合理的进浇口位置，另外，模具型腔的排气要充分，保证塑料熔体能够充分进入到金属零件微纳米孔洞中，在零件一些重要位置设置拉胶结构需要专门设计和反复验证。典型的NMT注射模结构如图5所示。
图5 典型的NMT注射模结构
NMT的纳米注射成型属于嵌件注射成型，成型过程中料温、模温、注射压力、熔体注射速度和型腔排气对最终成型零件合格率影响较大。料温要严格依据塑料物性表要求进行调整，注射压力、熔体注射速度要依据零件实际情况反复验证、确认效果后设定。此外铝材注射成型前的预热温度也很重要，要保证铝材注射成型前的预热温度与模温一致。模温通常要达到140℃以上，在此条件下，热塑性树脂末端的官能团才能更充分地与阳极氧化覆膜上的化学物质发生化学反应。金属手机壳纳米注射成型加工工艺流程如图6所示。
图6 金属手机壳纳米注射成型加工工艺流程
从2003年大成普拉斯株式会社发明铝合金T处理方法以来，NMT的发展已有十多年的时间，期间其产业化应用逐渐得到了加强，在电子、汽车、高铁和航空航天零件、化学电源制品、管道连接等方面均有应用。NMT的应用，极大地丰富了设计人员的结构设计思路，降低了零件加工成本和零件质量，为异种材料的接合应用打下了坚实基础。几种NMT应用案例如图7所示。
图7 NMT应用举例
随着金属和塑料材料相结合零件的使用越来越广泛，NMT在满足工业化需求方面的前景也将越来越广阔，今后，NMT主要解决以下几方面的问题：
（1）扩展塑料和金属材料相结合的应用种类，让更多的材料满足使用要求。
（2）提高金属与塑料之间整体结合强度和密封性，避免局部区域开裂和后处理零件表面产生白斑。
（3）延长NMT处理零件成型前放置时间，降低零件失效风险。
（4）研究大尺寸零件NMT处理方法，降低生产成本。
▍原文来源：《模具工业》2016年第8期
▍原文作者：谢守德，王长明，韩静，刘秀强，周国荣
▍作者单位：东莞劲胜精密组件股份有限公司
