帝国理工李昶最新Composites Part A：复材粘接

航空航天领域常需使用轻质高强材料，如碳纤维增强复合材料、铝合金等。一些较大或复杂的结构件制造涉及到材料的连接。粘接是一种较为理想的材料连接方法，不仅可规避一些其他方法中涉及钻孔、高温等过程对材料造成的损伤，而且对于异种材料粘接而言，引入胶层能够杜绝异质材料长期接触产生的电化学腐蚀。粘接前，通常需进行材料表面预处理，以增强材料与胶之间的界面结合。

早期相关研究主要涉及金属-金属或复材-复材粘接（同种材料粘接），近年来复材-金属粘接（异种材料粘接）受到研究关注。然而，较少有研究同时囊括两种粘接，也鲜有将两种粘接进行对比分析或深入探究粘接机理。近日，英国帝国理工（Imperial College London）的李昶等人在复合材料领域顶级期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing发表了题为“Effect of CFRP surface topography on the adhesion and strength of composite-composite and composite-metal joints”的研究论文，通讯作者为李昶博士、孙凤振博士和Bamber Blackman教授。

[创新提要]

1.论文将同种材料粘接与异种材料粘接进行了对比分析并提出了新的机理解释。

2.实验采用了模压、热压罐两种不同的制备工艺，并比较了不同工艺对材料表面预处理及最终材料粘接性能的影响。

3.对于两种复材及用于异种材料粘接研究的铝合金，实验都尝试了丙酮清洗、喷砂处理、等离子体处理三种方法，并详细对比了不同方法在不同材料上的效果。

4.实验所用的碳纤维复材、铝合金、粘接用胶膜均为航空航天等级，测得的粘接性能数值高，具有参考价值。

[重点数据展示]

如图1(a-b)的光学显微镜及扫描电镜图所示，模压制得的复材(CFRP-1)表面较为平整，而由于热压罐工艺使用了脱模布等辅助材料，制得的复材(CFRP-2)表面有规则的纹路。图1(c-f)为经过丙酮清洗(AC)及等离子体处理(PL)后，复材表面化学元素分布能谱分析结果。图2展示了喷砂处理(GB)对于复材表面形貌及化学组成分布的影响。

图 1 丙酮清洗、等离子体处理后复材表面形貌SEM图及元素分布EDS结果© 2022 The Authors

图2 喷砂处理后表面形貌SEM图及元素分布EDS结果© 2022 The Authors

图3展示了表面处理对于材料表面浸润性的影响。等离子体处理能显著降低水在材料表面的接触角（即材料更亲水）。

图3 不同表面处理对于不同材料表面接触角的改变 © 2022 The Authors

图4为最终的粘接性能（单搭接拉伸剪切性能）实验曲线；图5为测试时粘接失效后断面的高清相片。相关数据分析详见论文原文；有关表面处理对于铝合金的影响、铝合金-铝合金粘接实验数据等详见论文的附加信息部分；结论见下文。

图4 不同接头单搭接拉伸剪切性能实验的应力-位移曲线汇总 © 2022 The Authors

图5 不同单搭接接头粘接失效后断面的高清相片 © 2022 The Authors

【主要结论或启示]

1.等离子体处理作为碳纤维复材粘接前的表面预处理十分有效：能高效去除表面污染物、增强材料表面活性、降低接触角等。

2.喷砂作为铝合金表面预处理一定程度有效：能改善表面粗糙度，增强机械互锁以提升粘接强度。但针对航空航天领域等有更高要求时，可能仍需对材料表面进行化学改性，建议尝试或附加铬酸处理或硅烷化试剂处理等方法。

3.当复材表面处理工艺为丙酮清洗时，热压罐带来的纹路相当于难以用手工清理的死角，对比平整表面，用丙酮擦拭时效果更差。当方法为等离子体处理时，等离子体的高能冲击可有效清理表面，热压罐工艺带来的纹路相当于增大了材料暴露于等离子体环境中的比表面积，有助于提高复材-复材粘接强度。

4.当复材与表面较为平整的铝合金粘接时（异种材料粘接），从单搭接力学拉伸剪切实验结果上看，有热压罐工艺纹路的复材粘接性能低于模压工艺的平整复材。推测是纹路扩大了复材与铝合金的非相似性，即粘接接头两端材料的不对称性增强，对粘接有负面影响。

5.基于4的进一步分析、参考其他相关文献、补充更多实验证据后给出了异种材料粘接新机理解释（图6）：当粘接接头两端材料平整、对称时，胶膜在固化时受力较为均匀；当粘接接头两端材料不对称时，胶膜来自两端受压不对称，内部受力不均匀，固化时容易有气泡产生，最终导致缺陷，拉低粘接强度。

图6 异种材料粘接的新机理解释: 不对称理论 © 2022 The Authors

文献链接: Effect of CFRP surface topography on the adhesion and strength of composite-composite and composite-metal joints. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023, 164, 107275.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107275

【作者简介】

李昶  英国帝国理工学院，机械工程系博士(2019-2023)。在Matter、International Materials Reviews等期刊共发表SCI论文16篇以上，主要研究方向为①复合材料粘接前的表面处理②碳纤维或树脂相关应用研究③仿生超浸润界面粘附与液滴行为。近期以一作/通讯发表其他论文：

[1] Mimicking Nature to Control Bio-Material Surface Wetting and Adhesion. International Materials Reviews, 2022, 67(6), 658-681.

https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1995112

[2] Energy conversion based on bio-inspired superwetting interfaces. Matter, 2021, 4(11), 3400-3414.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.018

[3] Green and Facile Synthesis of Bio-Based, Flame-Retardant, Latent Imidazole Curing Agent for Single-Component Epoxy Resin. ACS Applied Polymer Materials. 2022, 4(5), 3564-3574.

https://doi.org/10.1021/acsapm.2c00138

[4] Flame-retardant single-component epoxy resin cured by benzimidazolyl-substituted cyclotriphosphazene: Storage stability, curing behaviors and flame retardancy. Polymer Degradation and Stability, 2022, 204: 110092.

https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110092

[5] Remarkable temperature sensitivity of partially carbonized carbon fibers with different microstructures and compositions. Materials, 2021, 14(22): 7085.

https://doi.org/10.3390/ma14227085

[6] Stimuli-responsive surfaces for switchable wettability and adhesion. Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18, 20210162.

https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0162

供稿人：碳纤仓鼠