ACS AMI | 多尺度形貌的聚合物界面润湿行为与粘接性能

英文原题：Interface Wetting Driven by Laplace Pressure on Multiscale Topographies and Its Application to Performance Enhancement of Metal-Composite Hybrid Structure 

通讯作者：闵峻英，同济大学机械与能源工程学院

作者：Hailang Wan (万海浪), Hao Teng (滕昊), Fangwei Lv (吕方威), Jianping Lin (林建平), Junying Min (闵峻英)

金属-复合材料异质构件具有轻量化效果显著、高比强度和高比模量等优点而广泛应用于航天航空和汽车等领域。但理化特性的巨大差异使得金属与聚合物的界面粘接性能较差，成为金属-复合材料异质构件力学性能的薄弱点，在金属表面进行形貌重构（即表面改性）普遍用于解决这一问题。然而，金属表面形貌的聚合物界面润湿却成为一大难题，时常因界面润湿不足导致粘接界面上形成气孔缺陷而降低粘接性能。并且不同方法制备的金属表面形貌尺寸多样，这使得聚合物的界面润湿行为更为复杂。因此，需要深入研究多尺度表面形貌的聚合物界面润湿行为，阐明界面润湿行为与粘接性能的内在关系，从而科学地指导工程应用中金属材料的表面形貌重构，实现金属-复合材料异质构件力学性能的稳定提升。、

本研究利用纳秒脉冲激光在铝合金材料制备了三种典型的表面形貌（凹坑、凹槽和方格），通过改变激光工艺参数调控表面形貌的关键尺寸参数：特征大小Φ（凹坑直径、凹槽宽度和方格边长，50→200→800 μm）、垂直尺寸（深度或高度，1→117 μm）、分散密度λ (分布间距s与Φ的比值，1.2→2→3)，并建立了多尺度表面形貌几何轮廓的数学方程。

图 1. 铝合金多尺度表面形貌。(a)Ф50μm凹坑，(b) Ф200μm凹坑，(c) Ф800μm凹坑，(d) Ф50μm凹槽，(e) Ф200μm凹槽，(f) Ф800μm的凹槽，(g) Ф50μm方格，(h) Ф200μm方格，(i) Ф800μm方格。

构建了多尺度表面形貌的聚合物界面润湿模型，从界面作用力（气泡压力、拉普拉斯压力和聚合物重力）的角度对聚合物的界面润湿行为进行了理论分析，并通过粘接界面的实验观测验证了正确性，发现：表面形貌的类型与几何尺寸对润湿过程中的界面作用力有着显著影响。拉普拉斯压力有利于促进界面气泡的排出，从而赋予凹槽形貌更优异的界面润湿性能。相反，凹坑形貌极易产生界面气孔缺陷、受尺寸参数的影响较大，通过建立的尺寸参数与界面气泡体积理论模型很好地阐明了界面气孔缺陷的形成机制。粘接强度测试结果表明：界面润湿行为会显著影响粘接强度，造成粘接强度在+18%与-17%的范围内波动，其中首先在200μm凹槽形貌观察到了稳定的界面润湿。

图 2. 多尺度表面形貌的聚合物界面润湿及粘接强度（垂直尺寸最大时）：(a) 微米级形貌、(c) 亚毫米级表面形貌和(e) 毫米级形貌的界面润湿观察， (b)、 (d) 和(f) 为(a)、(c)和(e)相应的粘接强度。

为了探究界面粘接性能对异质构件性能的影响，利用CFRP和铝合金（AA6061或AA7075）制备了两种铝合金-CFRP异质防撞梁，并进行了三点弯曲性能测试。由于凹槽形貌更容易实现界面润湿而稳定地增强金属-聚合物粘接界面，因此在铝合金表面制备了凹槽形貌，以确保CFRP与铝合金之间的变形协调和应力传递，最终将异质防撞梁弯曲性能提高了11%，证明了界面润湿行为对异质构件力学性能的重要作用。

图3.  铝合金-CFRP异质防撞梁弯曲性能测试结果。(a) 几何模型和实物图，(b) 未表面改性和(c) 表面改性后的粘接界面及失效模式，(d)AA6061-CFRP和(e) AA7075-CFRP异质防撞梁的载荷-位移曲线，(f) 峰值载荷。

本文对多尺度铝合金表面形貌的聚合物界面润湿行为进行了理论和实验研究，形成了从表面、界面到工程应用的完整逻辑框架。(a) 界面润湿的微观力学机理：拉普拉斯压力与界面气泡压力在聚合物润湿过程中相互竞争，拉普拉斯压力促进了界面气泡的排出，使得凹槽形貌具有比凹坑和方格更优异的界面润湿性能。(b) 界面润湿与粘接性能的内在关系：界面润湿行为对粘接强度有显著影响,，造成粘接强度在+18%到-17%范围内显著波动，Ф200μm凹槽及三种Ф800μm表面形貌均可实现稳定的界面润湿和粘接强度提升。(c) 实际工程应用：铝合金（AA6061或AA7075）的表面凹槽形貌有效提升了铝合金-CFRP异质防撞梁的抗弯曲性能 (提升11%)。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，同济大学万海浪博士后为文章的第一作者， 闵峻英教授为通讯作者。

Junying Min − School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

闵峻英教授的汽车轻量化研究团队在国内外具有重要影响力，团队承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国际合作以及企业合作项目等150多项，获国家教学成果一等奖、上海市教学成果特等奖、机械工业部科技进步奖、上海市科技进步奖等奖项，获省部级优秀博士学位论文2人次。团队拥有国家级青年人才1名，上海市领军人才（海外）2名，德国洪堡学者2名，同济大学青年百人计划2名，以及三十余位博士后（含1位上海市超博）和博士/硕士研究生。