石墨烯纳米片增强碳纤维/环氧树脂-钛合金纤维金属层板界面性能的实验与模拟研究

本研究针对纤维金属层板(FMLs)界面结合强度不足的瓶颈问题，通过选择性激光熔化(SLM)技术在TA15钛板表面沉积GNPs，结合分子动力学(MD)模拟揭示了GNPs的增强机理。实验结果表明，1.6 wt% GNPs改性的FMLs剪切强度达到22.4 MPa，较未处理样品提升近15倍，MD模拟显示界面能增加375.33 kcal/mol。该研究为高性能金属-复合材料界面设计提供了新策略。

　　

在航空航天、交通运输等高端装备领域，减重增效一直是永恒的追求。碳纤维增强复合材料凭借其优异的比强度和设计自由度，已成为轻量化设计的首选材料之一。然而，单纯使用复合材料往往难以完全替代金属部件，而将金属与复合材料结合使用时，异质材料间的界面连接往往成为最薄弱的环节。传统的机械连接方式会引入应力集中，胶接连接强度有限，而嵌入式共固化技术虽能保持纤维连续性，但其界面性能仍有待提升。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学（威海）的研究团队在《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》上发表了一项创新性研究，他们巧妙地将选择性激光熔化(SLM)技术与石墨烯纳米片(GNPs)改性相结合，显著提升了碳纤维/环氧树脂-钛合金(CF/Epoxy-Ti)纤维金属层板(FMLs)的界面性能。这项研究不仅通过实验验证了该方法的有效性，还利用分子动力学(MD)模拟从原子尺度揭示了GNPs的增强机制。

研究人员采用了几项关键技术：首先通过SLM技术在TA15钛板表面制备了GNPs/钛粉复合涂层；然后采用嵌入式共固化工艺制备了单搭接剪切试样；利用扫描电镜(SEM)和光学显微镜分析了界面微观结构；通过单搭接剪切试验评价了界面剪切强度；最后建立Ti-GNPs-环氧树脂分子模型，采用Dreiding力场进行了MD模拟计算界面能。

3.1. 微观结构分析

SLM处理后的钛板表面形成了大量未完全熔化的球形钛粉颗粒和不同形状的凹坑，显著增加了表面粗糙度。这种结构扩大了树脂与钛板的接触面积，促进了机械互锁作用。随着GNPs含量从0.4 wt%增加到2.0 wt%，表面形貌发生明显变化，1.6 wt% GNPs时表面结构最为理想。

3.2. CFRP-TA15混杂层板的层间剪切性能

实验结果令人振奋：单纯SLM处理使FMLs的剪切强度从1.5 MPa提高到3.3 MPa，增幅达120%；而添加1.6 wt% GNPs后，剪切强度进一步提升至22.4 MPa，较未处理样品提高了近15倍。断裂形貌分析显示，GNPs改性的试样出现了明显的树脂和纤维残留，表明破坏模式从界面失效转变为内聚失效，证明界面性能得到实质性改善。

3.3. 金属-复合材料界面分析

高倍SEM观察发现，1.6 wt% GNPs改性的试样中，钛板表面的微孔结构被环氧树脂充分填充，树脂表面呈现光滑的纤维沟槽状断裂痕迹。更重要的是，在钛表面观察到了石墨烯结构，且在激光高温处理过程中，石墨烯碳原子与钛基底发生原位反应，生成了碳化钛(TiC)界面层。TiC作为一种高硬度、高热稳定性的陶瓷相，通过与钛基底的冶金结合和与环氧树脂的物理相容性，形成了梯度过渡增强结构。

3.4. 分子动力学模拟结果

MD模拟结果显示，GNPs的加入使CF/Epoxy-Ti的界面能增加了375.33 kcal/mol。这一显著提升从原子尺度解释了宏观实验现象：GNPs在环氧树脂与金属界面间形成了跨尺度的机械桥梁，其二维结构横跨脆性树脂相和韧性钛基底，有效传递局部应力，并通过裂纹偏转和分叉消耗更多断裂能。

研究结论表明，SLM技术能有效提升钛板表面粗糙度并实现石墨烯与钛的牢固结合；GNPs的最佳添加量为1.6 wt%，过量会导致团聚反而降低性能；GNPs通过形成TiC界面层、增加机械互锁、提高界面能等多重机制协同增强界面性能。这项研究不仅为高性能FMLs的界面设计提供了新思路，所建立的SLM+GNPs改性策略也有望推广至其他金属-复合材料体系，对推动多材料轻量化结构在航空航天等领域的应用具有重要意义。