皮秒紫外激光构建CFRP表面双尺度LIPSS结构实现高效粘接强化的机理与应用研究

【编辑推荐】为解决CFRP（碳纤维增强聚合物）传统粘接预处理方法效率低、污染大的问题，研究人员采用皮秒紫外激光（UV）开发了高效表面改性技术。通过优化激光参数诱导低/高空间频率LIPSS（激光诱导周期性表面结构），实现10秒内完成1 cm2 区域处理，使剪切强度提升1.7倍（9.0→15.3 MPa）。该技术为航空航天等领域CFRP组件的高效粘接提供了新方案。

　　

碳纤维增强聚合物（CFRP）因其卓越的强度重量比和耐腐蚀性，已成为航空航天、汽车制造等领域的明星材料。然而，当需要将CFRP部件与其他材料粘接时，传统机械紧固方式会因钻孔导致纤维损伤，而化学蚀刻等预处理方法又面临效率低下和环境污染的困境。尽管紫外激光表面处理展现出潜力，但热影响区控制与处理效率的平衡仍是未解难题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地采用皮秒级紫外激光（355 nm）对CFRP表面进行精准调控。通过系统分析环氧树脂和碳纤维的光吸收特性，研究人员发现高重复频率与快速扫描速度的组合可同步诱导低空间频率（LSFL）和高空间频率（HSFL）的周期性表面结构。令人惊叹的是，这项技术仅需10秒就能完成1 cm²
区域的表面功能化，较传统方法效率提升数十倍。

研究团队运用多尺度表征技术揭示了性能提升的奥秘：飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）证实处理后表面含氧/氮官能团显著增加；接触角测试显示LSFL处理区亲水性最佳；单搭接剪切试验最终验证剪切强度从9.0 MPa跃升至15.3 MPa。该成果发表于《Applied Surface Science》，为工业界提供了一种兼具环保性和可扩展性的CFRP处理方案。

关键技术方法包括：紫外皮秒激光系统（355 nm）参数优化、双尺度LIPSS结构生成控制、表面化学组分分析（ToF-SIMS/XPS/Raman）、形貌表征（SEM/AFM）以及力学性能测试（单搭接剪切）。实验采用SYT49S碳纤维增强的平纹编织CFRP样本。

【材料特性】
通过分光光度分析明确环氧树脂在355 nm处存在吸收峰，而碳纤维在该波段吸收较弱，为选择性树脂去除提供理论依据。

【表面结构调控】
在高重复频率（400 kHz）和快速扫描（2000 mm/s）条件下，成功制备出周期分别为600±50 nm（LSFL）和120±20 nm（HSFL）的双重结构，AFM显示LSFL区域粗糙度达1.2 μm。

【化学组分演变】
XPS检测到C-O键含量增加47%，N1s峰强度提升2.3倍，ToF-SIMS进一步证实羧酸根离子（COO^-
）信号增强5.8倍，表明激光处理有效引入了活性位点。

【粘接性能】
LSFL处理样本表现出最佳性能：接触角从82°降至18°，表面能提升至56.3 mN/m，最终剪切强度达15.3 MPa，失效模式从界面破坏转变为内聚破坏。

这项研究不仅阐明了皮秒紫外激光诱导CFRP表面活化的多尺度机制，更建立了"参数-结构-性能"的定量关系。特别值得注意的是，该方法处理速度达到6 cm²
/min，远超传统工艺，且完全避免化学废液产生。研究团队Zhonghe Wang等人提出的技术路线，为CFRP在大型结构件（如飞机机翼、风电叶片）粘接领域的应用扫清了障碍，同时其揭示的LIPSS形成规律对其它复合材料表面功能化具有普适指导意义。未来通过与机器人路径规划技术结合，有望实现复杂曲面CFRP构件的自动化处理，推动绿色制造技术革新。