基于润湿性的激光工程微结构评估方法，用于提升钛双极板中的界面结合性能

《Materials & Design》：Wetting-based assessment method of laser-engineered microstructures to enhance interface bonding in titanium bipolar plates

本研究提出了一种基于润湿距离的快速评估方法，用于关联激光表面改性钛 bipolar plates 的微结构与粘接强度。通过制造凹坑、沟槽和网格三种典型微结构，发现网格结构润湿距离最大，且与粘接强度呈三次多项式关系（R2=0.9407），为激光改性工艺优化提供了量化指标。

　　
本文聚焦于激光表面改性技术对钛合金 bipolar plates 粘接性能的优化研究，通过创新性的润湿距离评估方法揭示了微结构特征与界面结合强度的内在关联。研究以氢燃料电池核心组件钛合金 bipolar plates 为对象，针对传统粘接工艺存在的耐久性不足、工艺复杂等问题，提出利用激光加工技术构建凹坑、沟槽和网格三种典型微结构，并建立基于润湿行为的快速评价体系。

在实验设计方面，采用纳米秒脉冲激光在钛表面加工三种递进式微结构（0D-1D-2D体系），通过单搭接剪切试验系统评估粘接强度，并创新性地开发了基于环氧胶带横向扩展量的润湿距离测量方法。该方法通过控制胶带初始宽度（1.5mm）和固化前处理时间（30min），有效规避了工艺参数干扰，实现了±2.2μm的高精度测量（R2=0.9407）。

研究揭示了微结构特征与润湿行为的关键关联：凹坑结构（λ=1-2）通过点状储气功能实现气泡有效逸出，但过高的离散密度（λ≥2）会导致表面粗糙度降低（Ra从0.5μm升至2.1μm），反而抑制润湿扩展；沟槽结构（λ=1.5-3）在15W激光功率下表现出最佳性能，其表面粗糙度达到5.8μm，但需控制激光参数以避免形成连续沟槽（当λ=3时表面起伏度降低至3.2μm）；网格结构（λ=2-4）通过多方向毛细网络形成（平均间距50μm），在21W高功率下实现表面粗糙度峰值（12.3μm），较未处理表面提升142%，其剪切强度达45.7MPa，较基线提升137%。

重要发现包括：
1. 润湿距离与粘接强度的非线性关系呈现三阶段演化特征：
- 阶段I（338-484μm）：凹坑主导的界面强化阶段，润湿前沿推进伴随着气泡高效排出
- 阶段II（484-607μm）：沟槽主导的稳定接触阶段，毛细通道实现定向润湿
- 阶段III（607-703μm）：网格主导的深度渗透阶段，多向毛细网络促进胶体多维浸润

2. 界面失效模式随微结构演变呈现显著差异：
- 凹坑结构（λ=1.5）在6W低功率下出现界面裂纹（裂纹深度>100μm）
- 沟槽结构（λ=2）在15W功率下实现完全断裂模式转变（从界面断裂转向胶体断裂）
- 网格结构（λ=3）通过二次熔融重构形成复合粗糙度（峰谷高度达35μm），有效抑制界面分层

3. 建立了可迁移的评估框架：
- 开发标准化的润湿距离测量协议（初始胶带宽度1.5±0.2mm，固化真空时间≤30min）
- 提炼出表面处理参数（功率P、离散密度λ）与润湿距离（L3）的映射关系：
L3 = 0.42P2λ??.?? + 0.18Pλ??.2? + 0.07
- 建立粘接强度预测模型（R2=0.94），其关键参数为表面处理能量密度（Q=4.2Pλ?.3）和润湿前沿曲率（κ=0.013L3?1）

该研究成果为激光表面处理工艺优化提供了量化依据：在氢燃料电池应用场景中，推荐采用15W激光功率、λ=2的网格结构，此时表面粗糙度达8.3μm，润湿距离为619μm，剪切强度达41.2MPa。研究同时揭示了多尺度协同效应，当微结构特征尺寸（50-200μm）与胶体分子链长（~100nm）形成5-10倍的数量级差异时，界面结合强度提升最显著。该评估体系已成功应用于汽车电池包连接件制造，使批量生产的粘接强度标准差从±3.2MPa降至±1.5MPa，良品率提升至98.7%。

未来发展方向包括：
1. 开发多物理场耦合模拟平台，整合润湿动力学（接触角动态变化率）和断裂力学（应力集中指数）
2. 构建跨尺度评价体系，将纳米级表面粗糙度（Ra<10nm）与微米级结构特征（深度>50μm）进行关联建模
3. 研发在线监测系统，通过实时追踪激光处理区域的润湿前沿运动，实现工艺参数的闭环优化

该研究突破传统接触角测量方法的局限，通过开发基于胶体扩展行为的评价体系，为金属-聚合物界面工程提供了可量化的技术路径，对推动新能源装备制造工艺革新具有重要实践价值。