基于水下冲击波技术的聚合物-金属异质材料冷态机械互锁连接研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical Bonding of Dissimilar Materials via Anchor-Based Interfacial Interlocking

本研究针对传统热连接和粘接技术在聚合物-金属异质材料连接中易导致材料热损伤、界面性能不足等问题，提出了一种基于水下冲击波的冷态机械互锁连接方法。通过激光织构化不锈钢基底表面，利用水下爆炸产生的冲击波驱动聚合物薄膜（如PI、PC、PTFE等）高速嵌入基底微结构，形成强韧的机械锚定界面。研究结果表明，该方法在毫秒级时间内实现了无需粘合剂或外部加热的可靠连接，且能保留功能聚合物表面的微纳结构（如DVD衍生的亚微米级周期沟槽）。数值模拟（SPH方法）和实验（EBSD分析）共同揭示了界面形成机制为基底局部屈曲与材料粘性流动的耦合作用。该技术为光学器件、生物医疗装备等领域的异质材料集成提供了新思路。

　　

在高端制造领域，聚合物与金属的可靠连接一直是技术难点。传统工艺如热压、超声波焊接或胶粘剂连接，往往因高温导致聚合物降解、残余应力或界面老化等问题，难以满足光学器件、航空航天部件对界面稳定性和功能完整性的苛刻要求。尤其对于聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）等耐高温但表面能低的特种工程塑料，常规方法更是束手无策。能否在常温下实现聚合物与金属的快速、强韧连接，同时保留聚合物表面的微纳功能结构（如抗反射蛾眼结构）？这成为新材料集成技术亟待突破的瓶颈。

近期发表于《Journal of Materials Research and Technology》的一项研究，提出了一种创新解决方案：利用水下爆炸冲击波驱动聚合物薄膜与激光织构化金属基底瞬间“嵌合”，形成机械互锁界面。该技术摒弃了热源和粘合剂，通过调控冲击波参数和表面微结构，实现了多种聚合物（包括PI、PC、PTFE等）与不锈钢（SUS304）的冷态连接，且连接后聚合物表面的亚微米级功能结构仍得以完整保留。

研究团队通过水下爆炸实验与光滑粒子流体动力学（SPH）数值模拟相结合，系统分析了连接过程的动力学机制。实验采用No.6电雷管在水中引爆产生冲击波，驱动聚合物薄膜以数百米每秒的速度撞击经激光加工具有周期性微沟槽的SUS304基底。通过剖面形貌观测、电子背散射衍射（EBSD）分析界面微观结构，并结合拉伸剥离测试评估连接强度。数值模拟则重现了材料在微秒级内的塑性流动、应变分布及基底变形行为。

界面形貌与互锁机制

截面观察显示，聚合物在冲击作用下充分填充基底沟槽，形成“倒扣”式机械锚定。对于韧性材料如PI和PC，聚合物深入沟槽底部且无缺陷；而脆性PET则因冲击开裂出现界面空洞。值得注意的是，基底微凸起根部在冲击下发生局部屈曲，其应变率高达10³–10⁴ s^-1，引发SUS304晶粒细化甚至马氏体相变。SPH模拟进一步揭示：聚合物黏性流动与基底屈曲的耦合作用决定了互锁深度——铝箔因基底早期屈曲仅形成浅层锚定（深度约70μm），而PI则实现超百微米的深层填充。

连接强度与功能完整性

拉伸测试表明，铝/不锈钢界面的互锁强度高于9.5MPa（胶层失效阈值）。对于聚合物试样，弯曲至80°未出现分层，强制剥离后聚合物表面残留基底微结构负复形，证明机械嵌合牢固。关键突破在于功能结构的保留：DVD衍生的PC表面亚微米沟槽（周期740nm）振幅仅减小10%；PET蛾眼结构纳米凸起高度损失约20%-30%，但周期性未破坏。这表明冲击能量被局限在界面区域，未波及功能表面。

技术普适性与参数规律

研究还发现聚合物厚度显著影响互锁形态：薄片（如100μm）因冲击波多次反射导致基底压溃更甚（弧长缩减比RL达50%），但填充较浅；厚片（如400μm）则更易实现深腔填充。PTFE和PC凭借高韧性实现均匀流动，而PET因脆性受限。通过阻抗匹配理论计算的粒子初速度（如PI为305m/s）与实验结果高度吻合，为工艺调控提供了理论依据。

该研究不仅证实了水下冲击波冷连接技术的可行性，更通过多尺度分析揭示了“冲击-屈曲-嵌合”的动态机制。其意义在于为异质材料集成提供了一种快速（毫秒级）、低温、无化学残留的新范式，特别适用于热敏感功能薄膜（如光学PC、生物相容性PTFE）与金属构件的结合。未来通过优化基底织构几何与冲击波参数，有望进一步拓展至柔性电子、医疗植入体等高端装备制造领域，实现结构-功能一体化集成的新突破。