由於(yu) 碳纖維增強塑料（CFRP）具有很高的強度對重量比（strength-to-weight ratio）、出色的抗腐蝕性能和優(you) 良的疲勞性能，因而受到了極大的關(guan) 注，上述特點讓這種材料適合用在飛機、汽車和其他產(chan) 品中。汽車工業(ye) 對熱塑性碳纖維增強塑料尤其感興(xing) 趣，因為(wei) 它有望縮短生產(chan) 時間。 

       將塑料或碳纖維增強塑料與(yu) 金屬接合在一起，通常需要使用膠粘劑或螺栓、鉚釘等機械工具。然而， 這些接合工藝有幾種不足之處，如揮發性有機化合物（VOC）排放的環境限製、粘合時間較長，螺釘或鉚釘也會(hui) 增加重量。因此，Seiji Katayama教授帶領團隊開發出激光輔助直接焊接金屬和塑料（LAMP）的技術。通過使用連續波（CW）Nd:YAG激光器、半導體(ti) 激光器、光纖激光器或碟片激光器等，該技術能迅速而牢固地將諸如鋼、不鏽鋼、鋁合金在內(nei) 的金屬與(yu) 工程熱塑性塑料（例如聚酰胺PA、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起來。 

      LAMP焊接技術可以牢固地將碳纖維增強塑料片材和304不鏽鋼板焊接在一起，其中使用CW碟片激光器在金屬上生成不焊透焊縫。圖1顯示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強塑料片材與(yu) 304不鏽鋼板之間的激光搭接接頭在做拉伸剪切試驗前、後的情況。其中，碳纖維增強塑料片材厚度為(wei) 3mm、寬度為(wei) 20mm， 具有較長的碳纖維，不鏽鋼板厚度為(wei) 3mm、寬度為(wei) 30mm。橫截麵的照片（見圖1中的插圖）顯示了不鏽鋼中淺層小孔形成的激光焊道。此外，熔化區廣泛分布在碳纖維增強塑料片材中靠近接合麵的區域。在圖1b中，我們(men) 可以觀察到黑色的碳纖維增強塑料片材粘結在304不鏽鋼板的底表麵。特別是，粘結的碳纖維增強塑料部分主要根據激光焊道下的不鏽鋼板而識別出來。在碳纖維增強塑料片材的接合麵中也能看到不鏽鋼的部分。上述事實表明形成牢固的焊接接頭是可行的。

        圖2顯示了在不同碟片激光輻照條件下對接頭進行拉伸剪切試驗的結果。結果表明，接頭的最大拉伸剪切負荷（強度）約為(wei) 4800N（20mm寬的碳纖維增強塑料），這一結果是在功率為(wei) 2 kW 和5 mm/s的試驗速度的情況下得出，高於(yu) 碳纖維增強塑料板的拉伸剪切負荷的一半。30mm寬、3mm厚的PA塑料片材與(yu) 304不鏽鋼板之間接頭的拉伸剪切負荷最大約為(wei) 3400N。從(cong) 中我們(men) 可以判斷，20mm寬的碳纖維增強塑料和304 不鏽鋼板之間接頭的最大負荷要遠高於(yu) 30mm寬的PA塑料片材與(yu) 鋼板間的接頭。因此，通過在具有更長碳纖維的聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強塑料片材和304不鏽鋼板之間形成搭接接頭，可以得到最高的負荷。

       圖3為(wei) 碳纖維增強塑料片材和304不鏽鋼板之間接頭接合麵的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。許多亞(ya) 毫米大小的氣泡不規則地分布在碳纖維周圍的塑料基體(ti) 中，這是由激光焊接過程中溶池的高溫引起的熱傳(chuan) 導造成的。據證實，碳纖維增強塑料中氣泡的幾何特征主要取決(jue) 於(yu) 塑料和碳纖維的疊合形狀，以及傳(chuan) 導熱量的水平和碳纖維的長度。據悉，與(yu) 普通塑料相比，碳纖維增強塑料中更容易形成氣泡。對普通塑料來說，氣泡隻形成在界麵附近；而在碳纖維增強塑料中，由於(yu) 纖維表麵與(yu) 基體(ti) 之間的不穩定以及碳纖維具有較高的熱導率，所以氣泡廣泛分布在塑料基體(ti) 中。

       圖4是接頭界麵附近的透射電子顯微鏡（TEM）照片，從(cong) PA基體(ti) 、不鏽鋼上的氧化膜、不鏽鋼基體(ti) 中分別選取典型的點來進行透射電鏡能譜分析（TEM-EDS）。我們(men) 可以觀察到，碳纖維增強塑料從(cong) 原子或分子尺度上被連接在304不鏽鋼的10納米厚的鉻鐵（Cr-Fe）氧化層上。這表明，化學鍵合和物理（範德華力）粘結的可能性很高。因此，碳纖維增強塑料和304不鏽鋼能被牢固地接合在一起形成強而有力的接頭。

       進一步地，在7×10-6帕的高壓下，從(cong) 碳纖維增強塑料片材向不鏽鋼板鑽一個(ge) 2mm的孔，並測量鑽孔過程中揮發氣體(ti) 的壓力水平和質譜， 再通過Q-質譜儀(yi) 來分析氣泡中的氣體(ti) 成分。結果表明，氣泡內(nei) 的氣體(ti) 成分為(wei) 氮氣、氫氣和碳纖維增強塑料的PA基體(ti) 裂解產(chan) 生的烴類氣體(ti) 。由於(yu) 裂解後產(chan) 生氣泡並迅速擴張，高壓迫使熔化的塑料進行移動並流入金屬表麵的坡口或晶界。從(cong) 所有試驗中我們(men) 可以推斷出接合機製（見圖5），即，碳纖維增強塑料複合材料與(yu) 不鏽鋼直接接合，是通過化學或物理地粘結熔化的塑料和覆蓋在不鏽鋼上的氧化膜來實現的，此外還要考慮塑料流動到坡口或晶界而引起的機械錨固效應。

       這種激光焊接碳纖維增強塑料和金屬的技術預計將在行業(ye) 內(nei) 得到應用。這種方法也成功用於(yu) 焊接碳纖維增強塑料和鋁合金或帶有鋅（Zn）塗層的鋼，並且它被證實能形成強而有力的接合。