这篇文档属于类型a，即报告一项原创研究的学术论文。以下是对该研究的详细介绍：

作者及研究机构
该研究的主要作者包括C.Y. Jiang, L.H. Wu, F.C. Liu, P. Xue, B.L. Xiao, D.R. Ni和Z.Y. Ma。他们分别来自中国科学院金属研究所史创新材料研究中心和中国科学技术大学材料科学与工程学院。该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，发表日期为2024年2月13日。

学术背景
该研究的主要科学领域是材料科学与工程，特别是金属与塑料基材料的异质连接技术。碳纤维增强塑料（CFRTP）因其高比强度和耐腐蚀性，在航空航天和汽车等领域广泛应用。然而，金属在关键结构中仍不可替代，因此将金属与CFRTP结合的混合结构具有重要的应用潜力。然而，金属与塑料基材料之间的物理和化学性质差异巨大，传统的连接方法如胶接和机械连接难以满足现代工业的高要求。

研究者们探索了新的焊接技术，如搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）和超声波焊接等，但这些技术在长距离焊接或机械性能方面存在局限。因此，本研究开发了一种名为“摩擦搭接焊（Friction Lap Welding, FLW）”的改进技术，并结合硅烷偶联处理，旨在实现CFRTP与铝合金（AA5052）的高强度连接。

研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 材料准备

   • 研究使用AA5052铝合金板和CFRTP（50-55 wt% T300碳纤维增强PA6复合材料）作为实验材料。在焊接前，铝合金板表面用800号砂纸打磨，去除表面油脂，CFRTP板在80°C下干燥12小时，并用乙醇脱脂。

2. 硅烷偶联处理

   • 采用OFS-6020（氨基乙基氨基丙基三甲氧基硅烷）作为偶联剂。将铝合金板浸入不同浓度（0.5 wt%、2 wt%、3.5 wt%、5 wt%）的硅烷水溶液中30秒，然后在空气中干燥1小时，最后在120°C下烘干1小时，以在铝合金表面形成偶联剂层。

3. 摩擦搭接焊（FLW）

   • 使用无针工具进行FLW，焊接参数包括转速（1200-2000 rpm）、焊接速度（800-1600 mm/min）和压下深度（0.9-1.2 mm）。焊接过程中，通过K型热电偶监测界面温度。

4. 表征与分析

   • 通过高分辨透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析界面结构和化学键演化。差示扫描量热法（DSC）用于评估CFRTP的结晶行为。

主要结果
1. 连接强度
- 在最佳参数（1200 rpm、1600 mm/min、0.9 mm）下，未经处理的接头的最大拉伸剪切力（TSF）为2.85 kN（约12.7 MPa）。经过硅烷偶联处理后，接头的TSF显著提高至6.83 kN（约30.36 MPa），比未处理接头提高了约140%。不同浓度的硅烷偶联剂对TSF的影响呈现先增加后下降的趋势，最佳浓度为3.5 wt%。

1. 界面结构与化学键

   • TEM和XPS分析表明，硅烷偶联剂层作为桥梁，通过Si–O–Al和Si–O–Mg键与铝合金表面结合，并通过C(=O)–N键与CFRTP基体形成共价键，实现了原子尺度的紧密连接。FTIR结果表明，焊接后CFRTP侧的C–O键与硅烷偶联剂层的氨基（-NH2）发生化学反应，形成了C(=O)–N键。

2. 结晶行为

   • DSC分析表明，焊接后CFRTP的结晶度降低，特别是在工具通过区域，热输入和锻压力导致CFRTP分子链断裂，结晶度进一步下降。

结论
研究发现，硅烷偶联处理显著提高了CFRTP与铝合金接头的连接强度，主要通过促进化学键的形成，减少界面缺陷，并增加化学键的面积和比例。硅烷偶联剂层作为桥梁，实现了铝合金与CFRTP之间的化学键连接，为金属与塑料基材料的异质连接提供了新的理解和方法。

研究亮点
1. 该研究首次系统地研究了硅烷偶联处理在摩擦搭接焊中的应用，揭示了其化学键形成机制。
2. 通过优化硅烷偶联剂浓度和焊接参数，获得了高达30.36 MPa的连接强度，显著高于以往报道的结果。
3. 高分辨TEM和XPS分析提供了直接的证据，证明了Si–O–Al、Si–O–Mg和C(=O)–N键在界面形成中的作用。

该研究为金属与塑料基材料的高强度连接提供了新的技术途径，具有重要的科学和应用价值，特别是在航空航天和汽车等领域的多材料轻量化结构中具有广泛的应用前景。