如果它能滚动、漂浮或飞行，重量轻总是好的。问问那些参加过松木德比比赛的人就知道了。

飞机、火车、汽车、卡车和拖拉机的制造商迫切需要能提高效率和减轻重量的新材料。工程塑料和碳纤维复合材料是很受欢迎的选择，但当它们必须与铝、镁、不锈钢或钛等不同材料连接时，就会产生挑战。

工程师有许多选择来连接塑料零件到塑料零件或金属零件到金属零件。然而，当连接塑料零件到金属零件时，选择很少。现在，减轻汽车重量的推动已经引发了一波旨在改进的新研究浪潮混合料组件．

轻量化是当今汽车行业的头号话题，因为整车厂都在努力降低排放，提高燃油经济性。

杜邦Performance Polymers总裁帕特•林德纳(Pat Lindner)表示:“(汽车制造商)正在竞相开发安全、有趣、价格合理、更省油、排放更少的汽车。”“(但)到2025年(企业平均燃油经济性标准的要求)，我们要达到每加仑54.5英里还有很长的路要走。这是一场马拉松，不是短跑。”

福特汽车公司(Ford Motor Co.)和麦格纳国际公司(Magna International Inc.)的工程师正在试验多种轻质材料提高性能和燃料效率，同时减少二氧化碳排放。他们最近推出了一款轻型概念车，采用了铝、碳纤维复合材料、镁、超高强度钢材和先进的轻质塑料，包括车身、底盘、内饰和动力总成。

这款概念车将2013款Fusion轿车的重量减到了嘉年华(Fiesta)微型车的重量，减少了近25%。

“我们的目标是探讨如何设计和建造一个mixed-materials,轻型车辆,可能在高容量生产,同时提供相同级别的安全性、耐用性和韧性作为我们今天的车辆在路上,“马特Zaluzec说,技术主管福特全球材料和制造研究。“没有一种放之四海而皆准的轻量化方法。”

在过去的六年中，由于越来越多地使用塑料和其他轻质材料，汽车的重量下降了20%。到2020年，工程塑料和聚合物基组件将占汽车平均重量的18%。

汉高公司的高级市场应用工程师Darryl Small说:“塑料是工程师们非常需要的东西，它们具有丰富的色彩、被塑造成轮廓和时尚的设计能力，这意味着它们可以增强产品设计的美感。”实际上，它们是永远不会腐蚀的材料，因此它们自然会遇到某些工程上的挑战，比如重量轻和美观。

“然而，塑料也不是完美的，”斯莫尔警告说。“这些材料不像金属那样坚韧耐用。有时，它们轻到不堪一击的地步。如果耐久性和强度对设计的重要性与风格和美观一样，工程师就需要谨慎选择塑料。”

典型的应用

EWI的工程师与许多行业的制造商一起工作。专门从事超声波焊接的应用工程师米兰达•马库斯(Miranda Marcus)表示:“我们发现，人们对将塑料与金属连接起来的兴趣正在增加。”“这一趋势背后有几个因素，包括降低制造成本、减小封装尺寸和制造更轻的组件。”

塑料和金属零件连接在一起有许多应用。一些例子包括:

尼龙到不锈钢的户外使用应用，其中一个大的保税区域受到持续的振动，冲击，温度变化，并暴露于水，污垢和碎片。

聚丙烯到铝的汽车面板应用。

聚氨酯钢用于户外应用，偶尔受到冲击，沉重的静态负荷和环境暴露。

聚碳酸酯以铝作电池外壳应用需要耐热、防潮、耐剧烈温度变化、高剥离强度和高冲击强度。

3M工业胶粘剂和胶带部门的高级技术服务专家托尼•克莱默表示:“在高尔夫球杆的装配过程中，胶粘剂和压敏胶带用于将复合材料头部粘在钛表面上。”“它们也被用于将柔性塑料LED条连接到灯具的涂层铝框架上;在入口门的钢架或木架上贴上塑料或复合外壳;将玻璃纤维板粘在货运卡车和特种拖车的铝框架上。

克雷默指出:“粘合剂和压敏胶带粘在塑料上的能力很大程度上取决于它们的表面能。”复合材料，如硬质纤维增强塑料，通常与金属部件结合良好，因此经常被用作战斗头盔和休闲车辆等应用中金属部件的轻型替代品。”

汽车工业长期以来一直是混合材料组装的领导者。塑料到金属的汽车应用包括前端模块，踏板箱，刹车踏板，驾驶员气囊外壳，座椅盘，备用轮孔，歧管盖和跨车梁。

“正在使用的塑料类型取决于应用程序和条件的材料必须执行,“说瓦Pednekar,高级工程师在塑料制造商朗盛集团”为例,通常使用尼龙需要更高的温度要求或更高的耐用性(如底层的应用程序)。”

虽然塑料到金属的应用在汽车行业很流行，但这两种材料之间的连接也用于组装电器、消费品、电子产品、医疗设备和风力涡轮机。

电子制造商将塑料和金属部件结合在一起，比如智能手机和其他便携式设备的内部和外部外壳。“通常情况下，内部支撑结构是薄不锈钢或铝制的，然后连接一块较厚的塑料，”PennEngineering的microPEM紧固件全球业务经理杰伊•麦肯纳表示。

船是混合材料组件的另一种产品。几十年来，船舶制造商一直在使用复合材料制造船体、发动机舱、桅杆、舵和其他部件。这样的组件必须非常坚固，而且它们通常必须在盐水环境中保持。

Element 6是一家专门生产汽车碳纤维复合材料的咨询公司，其总裁Andrew Rich指出:“金属部件总是需要承担复合材料部件的点载荷，并为复合材料结构提供机械紧固点、枢轴点或分散载荷。”

加入方法

塑料或复合部件通常用粘合剂或紧固件与金属板或结构件连接。

将塑料与金属连接通常需要使用机械紧固件，如铆钉或螺栓。然而，这需要钻孔，成本可能很高。复合材料和金属的厚度必须整体增加，以适应孔和紧固件点载荷的应力集中，牺牲重量优势。一些紧固件也存在生锈和腐蚀的风险。

螺纹插入是一种方法，以连接金属零件到塑料零件使用螺纹紧固件。EWI公司的Marcus表示:“最常见的应用是通过热加工或超声波加工，将黄铜或钢嵌件压入塑料组件中。”“这是通过将聚合物熔化成金属部分上的凸起来实现的，一旦塑料冷却，凸起就起到机械连接的作用。”

另一种用于混合材料组件的螺纹紧固件是自锁紧固件。为了应对金属上越来越多的塑料使用，PennEngineering公司最近开发了几种新产品。

麦肯纳指出:“我们的大多数紧固件设计都是为了固定在金属上，通常是将两块面板固定在一起。”“我们发现，通过薄金属板延伸，然后拉入较厚的塑料板的紧固件提供了最好的效果。

麦肯纳解释说:“拉削的动作会切割出非延展性的塑料，并将两张纸粘在一起。”这种解决方案通常可以使组件的顶部和底部表面齐平。”

粘接剂粘接克服了与使用螺纹紧固件连接混合材料组件有关的许多问题。整个粘结接触面参与负载管理。此外，粘合剂和底漆的结合隔离了一个表面从另一个，这减少了问题从电相互作用。

粘接剂粘接提供了更有效的负载管理，因此两种材料的厚度和重量都可以减少。而且，没有钻孔，对齐或密封。

然而，粘合剂不像机械紧固件那样可以立即使用。根据技术的不同，粘合剂需要几秒钟、几分钟甚至几小时来固定并最终固化。制造商必须等待夹具完成后才能移动部件。

控制也是一个因素。胶粘剂的用量，胶粘剂的精确位置，以及应用到装配上的夹紧力都必须小心控制，否则会影响粘接。

虽然胶粘剂几乎可以把任何塑料粘到任何金属上，但有些材料比其他材料效果更好。“尼龙和ABS通常是最容易连接到金属的塑料，”汉高的斯莫尔说。“当你使用聚丙烯等极其光滑的塑料材料或聚乙烯等难以粘合的塑料时，与塑料的粘结强度并不总是理想的。但是，底漆可以大大提高与塑料的粘结强度。

Small补充说:“几乎所有的粘合技术都可以用于将塑料与金属结合。”

氰基丙烯酸酯、丙烯酸酯、环氧树脂、聚氨酯、弹性体和硅树脂都能可靠地将塑料与金属结合在一起。

一种被称为混合结构即时粘合剂的新技术(汉高今年秋天推出)将提高塑料对金属的粘接应用。它将快速固化的氰基丙烯酸酯粘合剂与传统的结构技术相结合，如环氧树脂或甲基丙烯酸甲酯。

“这是两部分，室温固化胶粘剂应用双筒分配器，”斯莫尔说。“他们提供了氰基丙烯酸酯的快速夹具速度和结构技术的耐久性。

Small声称:“混合结构即时胶粘剂可以将大多数塑料配方(包括难以粘合的塑料)粘合到金属基材上。”“关键是他们做得更快。夹具速度区分了混合和纯结构技术。混合装置不到三分钟就能完成。”

虽然目前还不可能将塑料与金属焊接起来，但几个新的研发项目具有潜力。

俄亥俄州立大学材料科学工程副教授Avraham Benatar开发了一种使用加热工具将热塑性塑料与金属连接起来的方法。该金属基材具有精细的滚花图案，并通过将其压在高温的热工具上，在预设的时间内加热。然后，热板缩回，冷却的热塑性薄板在预设的时间内压在热金属表面上。

热金属熔化热塑性表面，导致流动和润湿。熔融的塑料流入凹槽，在塑料冷却和凝固时形成机械联锁接头。增加加热时间通常会增加接头的强度，直到达到最佳状态。

据贝纳塔尔说，他用这种技术创造的高密度聚乙烯(HDPE)到钢的连接件比高密度聚乙烯到铝的连接件更坚固，更一致。对于固定的加热时间，聚碳酸酯和高密度聚乙烯对钢接头比聚丙烯和亚克力对钢接头更强。

位于日本大阪的连接与焊接研究所的工程师们开发了一种叫做摩擦搭焊的新工艺。他们最近进行了一项测试，成功地将铝和尼龙部件连接起来。在较宽的焊接参数范围内，获得了高剪切强度的搭接接头。