《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of aluminum oxide nanoparticles on friction stir welding of acrylonitrile butadiene styrene sheet joints
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为解决热塑性塑料搅拌摩擦焊接(FSW)接头力学性能不足的问题，研究人员通过搅拌摩擦加工(FSP)在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)接头中添加纳米氧化铝(Al2O3)，系统研究了纳米颗粒含量(1-5 vol.%)对焊接接头拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性、热稳定性和耐磨性的影响。结果表明，适量添加纳米氧化铝可显著提升接头综合性能，其中3 vol.% Al2O3使拉伸强度达36.5±0.78 MPa，5 vol.%时弯曲强度升至58.78±0.40 MPa，热降解温度提高5-11°C，摩擦系数降至0.380±0.003。研究进一步探索了多道次焊接工艺，发现两道次焊接可优化纳米颗粒分散并提升力学性能，为热塑性复合材料高性能连接提供了经济有效的强化方案。
在制造业和工程领域，热塑性塑料的可靠连接一直是个难题。传统的熔焊方法容易导致材料热降解、产生缺陷，且往往需要复杂设备。搅拌摩擦焊接(FSW)作为一种固态连接技术，因其低热输入、无需保护气体、环境友好等优势，成为连接热塑性材料的重要选择。然而，单纯依靠工艺参数优化，焊接接头的力学性能、耐热性和耐磨性有时仍难以满足高性能应用的需求。特别是对于广泛应用在汽车、家电等领域的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料，如何通过一种经济有效的方法进一步提升其焊接接头的综合性能，是研究人员面临的挑战。以往有研究尝试添加二氧化硅纳米颗粒进行增强，但关于成本更低、性能优异的纳米氧化铝(Al2O3)在FSW-ABS接头中应用的研究尚未见报道。为此，来自设拉子大学的研究团队Somayeh Ghaffarian Roohparvar、Habib Daneshmanesh、Seyed Mojtaba Zebarjad和Sedigheh Pirsalami在《Journal of Materials Research and Technology》上发表论文，探索了纳米氧化铝作为增强相对搅拌摩擦焊接ABS接头性能的影响，并研究了多道次焊接工艺的作用，为开发高性能、低成本的聚合物基复合材料连接技术提供了新思路。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用搅拌摩擦焊接(FSW)工艺对ABS板材进行对接焊，并基于初步试验优化了焊接参数（预热温度90°C、旋转速度2500 rpm、焊接速度16 mm/min）。其次，通过搅拌摩擦加工(FSP)技术，将不同体积分数（1%、3%、5%）的纳米氧化铝颗粒加入焊道，制备ABS/Al2O3纳米复合材料接头。研究还进行了多道次（两道和四道）FSW工艺实验。在表征方面，利用万能试验机进行了拉伸和三点弯曲测试以评估力学性能；通过摆锤冲击试验机测试冲击能量；使用热重分析仪(TGA)评估材料的热稳定性；采用销-盘摩擦磨损试验机测试耐磨性和摩擦系数；并借助扫描电子显微镜(SEM)观察纳米颗粒的分散状态、团聚情况、断面形貌及缺陷（如气孔）。
3.1. 氧化铝纳米颗粒对ABS焊接板材性能的影响
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3.1.1. 拉伸强度：纳米氧化铝的添加显著影响了接头的拉伸强度。添加1%和3%时，拉伸强度提升，最高达36.5±0.78 MPa（3%含量），这得益于载荷从ABS基体向高强度纳米颗粒的有效传递。然而，当含量增至5%时，由于纳米颗粒更容易团聚，比表面积减小，削弱了载荷传递效率，导致拉伸强度下降。
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3.1.2. 弯曲强度：与拉伸性能不同，弯曲强度随纳米氧化铝含量增加而持续提高，在5%含量时达到最大值58.78±0.40 MPa。这是因为弯曲过程中同时存在压应力和拉应力，压应力抑制了裂纹的萌生与扩展，使得材料能在更高应变下失效，纳米颗粒的增强作用得以更充分发挥。
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3.1.3. 冲击能量：所有添加纳米氧化铝的接头，其冲击能量均低于纯ABS接头。这是因为硬质的纳米颗粒限制了ABS分子链的运动，使材料在冲击下更易脆性断裂。纳米颗粒含量在1%-5%之间变化时，冲击能量无统计学显著差异，可能源于高含量下的团聚导致应力集中加剧。
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3.1.4. 耐磨性：添加纳米氧化铝显著改善了接头的耐磨性能。重量损失、摩擦系数和磨损宽度均随纳米颗粒含量增加而降低。5%含量时摩擦系数最低，为0.380±0.003。这是因为硬质的氧化铝颗粒本身耐磨，同时在磨损过程中可能从复合材料中分离出来，在摩擦界面起到类似“隔离球”的作用，减少了对磨件与聚合物基体的直接接触。
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3.1.5. 热重分析：纳米氧化铝的加入提高了ABS接头热稳定性，使热降解曲线向高温方向移动。其中，5%含量时效果最显著，使材料失重10%和50%对应的温度分别提升了约5°C和11°C。氧化铝颗粒起到了热屏障作用，阻碍了热分解过程中挥发性产物的质量传递。
3.2. 多道次搅拌摩擦加工对ABS板材接头的影响
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3.2.1. 扫描电镜显微结构研究：SEM观察表明，单道次焊接后纳米氧化铝颗粒存在明显团聚。两道次焊接显著改善了颗粒分散性，团聚减少。然而，四道次焊接虽进一步改善了分散，但也因焊针反复搅动裹入空气，引入了大量气孔。
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3.2.2. 拉伸/弯曲强度：力学性能与微观结构变化一致。两道次焊接由于纳米颗粒分散改善，拉伸和弯曲强度均达到最高值，分别为38.92±0.68 MPa和76.03±2.29 MPa。而四道次焊接虽分散更佳，但大量气孔成为应力集中点和断裂起源，导致强度反而下降。
研究结论与意义
本研究系统论证了纳米氧化铝作为低成本增强相，用于提升搅拌摩擦焊接ABS接头性能的有效性。结果表明，适量添加（特别是3 vol.%）可同时优化接头的拉伸强度、弯曲强度、热稳定性和耐磨性。研究首次揭示了纳米氧化铝在ABS的FSW接头中的应用潜力与机制。此外，通过引入多道次焊接工艺，研究明确了工艺参数对微观结构（颗粒分散与缺陷控制）的调控作用，发现两道次焊接是实现纳米颗粒良好分散且避免引入过多缺陷的优化工艺。这项工作不仅为开发高性能、高性价比的热塑性复合材料连接件提供了具体方案和数据支持，也深化了对FSW/FSP复合制造过程中“工艺-结构-性能”关系的理解，对推动聚合物基复合材料的先进连接技术在汽车、家电等工业领域的应用具有重要的实践指导意义。
