采用混合激光-等离子体表面改性策略提高短碳纤维热塑性复合材料与铝合金的粘合性能

《Materials & Design》：Improving Adhesive Bonding of Short Carbon Fiber Thermoplastic Composites to Aluminum Alloys with a Hybrid Laser-plasma Surface Modification Strategy

本研究探索激光与等离子体混合表面处理对金属-碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）异种接头性能的影响。通过双 cantilever 梁测试发现，激光刻蚀铝表面（AA5052）结合等离子体处理 CFRTP 表面可使接头断裂能量提升187%，机理包括激光沟槽促进粘接剂塑性变形和 CFRTP 内部损伤耗能。而激光处理 CFRTP 表面未改善性能，反而因气孔缺陷导致性能下降。计算模型显示沟槽尺寸与界面粘接力对性能提升起关键作用，需复合表面处理协同增效。

　　金属-碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）接合结构在轻量化工业中具有重要的应用价值，尤其是在汽车和航空航天领域。这些结构的关键挑战在于如何实现金属与复合材料之间可靠而强韧的连接。为此，研究者们探索了多种表面处理技术，包括等离子体处理和激光处理，以改善粘接性能。然而，大多数现有研究集中于单一技术，鲜有研究探讨两者结合的复合处理策略。本研究旨在分析这种混合表面处理方法对金属-CFRTP接合结构的粘接性能提升效果，为轻量化结构设计提供新的视角。

### 1. 引言

在重量敏感的工业中，金属与复合材料的粘接结构是实现结构轻量化的重要手段。然而，这种结构的粘接性能常常受到复合材料表面处理效果的影响。由于复合材料表面在粘接过程中容易出现缺陷，这些缺陷可能显著降低接合结构的承载能力。为了克服这一问题，研究者们提出了多种表面和粘接材料的改性方法，包括等离子体处理、激光处理、化学处理、研磨等，以增强粘接性能。近年来，等离子体处理因其能有效改善复合材料与粘接材料之间的界面性能而受到关注。激光处理则通过改变表面形貌，增强粘接区域的机械互锁效应。尽管这些技术已被单独研究，但它们的结合使用仍是一个值得深入探讨的领域。

本研究聚焦于金属-CFRTP接合结构的混合等离子体-激光表面处理策略，评估其对粘接性能的影响。通过双悬臂梁（DCB）测试，研究了不同处理组合对粘接结构的性能变化。同时，结合表面和截面形貌分析以及计算建模，揭示了粘接性能提升的潜在机制。该研究不仅为轻量化结构的粘接技术提供了新的思路，还为未来相关材料的表面处理方法奠定了实验基础。

### 2. 材料与方法

#### 2.1 材料

本研究使用了铝合金AA5052和碳纤维增强聚酰胺66（CFRPA66）作为基材。AA5052是从McMaster-Carr公司获得的，而CFRPA66则来自BASF公司。CFRPA66的基材由40%的随机排列的短碳纤维组成，整体密度为1.328 g/cm3。用于粘接的热固性胶粘剂是L&L Products公司提供的XP0012-YL230。

#### 2.2 激光与等离子体表面处理

本研究探讨了AA5052- CFRPA66接合结构的混合激光-等离子体表面处理策略，以评估其与单独等离子体处理的差异。研究分为两种混合场景：一种是AA5052表面进行激光刻蚀，CFRPA66表面进行等离子体处理；另一种是AA5052表面进行激光刻蚀，CFRPA66表面进行激光刻蚀后进行等离子体处理。激光处理使用的是TYKMA Electrox公司的LaserGear BOQX激光标记系统，其功率为20W，脉冲宽度为纳秒级。不同的激光参数被用于AA5052和CFRPA66，以实现相似的平均沟槽深度，同时避免CFRPA66表面的烧蚀。等离子体处理使用的是Enercon Industries公司的Blown-ion等离子体系统，配备500W的等离子体发生器，操作气压为70–90 psi，处理气体为压缩空气。等离子体处理仅应用于CFRPA66表面，而AA5052表面则未进行等离子体处理，因为金属表面具有更高的功能基团密度，更容易与热固性胶粘剂反应，形成更强的化学键。

#### 2.3 双悬臂梁（DCB）试样的粘接过程

为了评估粘接性能，研究者们制备了AA5052- CFRPA66的双悬臂梁试样，并在机械测试中使用DCB测试方法。每个试样由25.4 mm × 101.6 mm × 3 mm的AA5052基材与相同尺寸的CFRPA66基材通过粘接连接。粘接区域为25.4 mm × 38.1 mm的矩形区域，胶粘剂用量约为0.2 mL，使用注射器均匀涂抹。为了防止粘接剂溢出和确保裂纹一致的起始，研究者们在试样两端使用了耐热玻璃胶带。为了避免CFRPA66在测试过程中因弯曲断裂而导致的早期失效，每个复合材料试样的背面均进行了额外的AA5052基材加固，粘接剂沿其全长进行粘接。

对于未进行激光处理的试样，粘接剂在常规烘箱中于150°C下固化50分钟。而对于包含激光刻蚀沟槽的试样，采用两步固化过程：首先在真空烘箱中于100 kPa和100°C下固化1小时，以促进粘接剂进入沟槽；随后在常规烘箱中于150°C下固化50分钟，以完成粘接。最终粘接剂厚度约为150 μm。

#### 2.4 DCB试样的机械测试

AA5052- CFRPA66接合结构的粘接性能通过DCB断裂测试进行评估。测试在ADMET 4200加载框架上进行，通过固定位移速率（1.27 mm/min）将试样拉离粘接面。该加载框架通过对称位移对试样进行中心定位，以实现数字图像相关（DIC）分析，评估裂纹在接合结构中的传播情况。为了便于DIC分析，试样两侧被喷上白色底漆并添加黑色斑点。基于DCB测试中收集的载荷和位移数据，研究者们采用断裂能法（Appendix A）进行初步的断裂能估算。这种方法被选择，主要是因为现有的ASTM、ISO或BS标准不适用于具有大损伤/断裂过程区的高强度金属-复合材料接合结构。

#### 2.5 物理形貌的表征

为了研究激光和等离子体处理对AA5052和CFRPA66基材表面形貌的影响，研究者们采用了两种表征方法：一是使用Keyence VR-5000三维光学轮廓仪进行表面形貌分析；二是使用JSM-7001F扫描电子显微镜（SEM）进行截面形貌分析。对于轮廓仪测量，所有扫描均在160倍放大倍数下进行，扫描区域为3.1 mm × 4 mm的矩形区域。SEM分析则在15 kV的加速电压和10 mm的工作距离下进行。此外，通过Olympus DSX1000光学显微镜，对DCB测试后的不同接合结构的断裂形貌进行可视化分析，以研究其表面处理后的物理特性。这些表面通过研磨、抛光和最后的肥皂与乙醇清洗进行预处理。

### 3. 实验结果与讨论

#### 3.1 表面与截面形貌的变化

在激光刻蚀后，AA5052和CFRPA66的表面形貌通过轮廓仪进行了初步分析。如图3c-d所示，激光参数（表1）和300 μm的步距，使两种基材表面均形成了平行沟槽，与未处理的表面（图3a-b）明显不同。然而，尽管这两种基材的平均沟槽深度相似，约为60 μm，但它们的沟槽深度分布存在显著差异。在图4a-d中，CFRPA66的沟槽深度沿宽度方向的变化范围较小，约为-27至-93 μm，而AA5052的沟槽深度变化范围较大，约为-120至17 μm。这可能与两种材料的刚度差异以及激光处理参数有关。

对于AA5052的激光预处理（步距为50 μm），沟槽深度在宽度方向上从-13.5 μm到1.2 μm变化，平均粗糙度（Ra）为1.31 μm，高度差（Rz）为14.6 μm，如图4e-f所示。这些结果表明，不同的表面处理方式对材料的表面特性产生了显著影响。

#### 3.2 机械响应与断裂性能

在图7a中，展示了AA5052- CFRPA66接合结构在混合处理（案例1）下的载荷-位移曲线，以及仅进行等离子体处理的接合结构和未处理的接合结构的测试结果。在这些曲线中，不同处理案例的接合结构表现出平均载荷增加约20%，表明其在损伤起始阶段具有更强的抵抗能力。在最终断裂位移方面，图7a显示了显著的变化，这表明表面处理主要影响了接合结构的断裂演化过程，而非损伤起始阶段。

对于案例1，即AA5052表面进行激光刻蚀（步距为600–900 μm）和CFRPA66表面进行等离子体处理的接合结构，其平均断裂能范围达到6.3–9.6 N/mm，比未处理的接合结构提高了187%，比仅等离子体处理的接合结构提高了31%。此外，案例2（AA5052表面进行激光预处理和激光刻蚀，CFRPA66表面进行等离子体处理）也表现出类似的性能提升，但其平均断裂能范围略低，达到5.8–8.8 N/mm，比未处理的接合结构提高了164%，比仅等离子体处理的接合结构提高了22%。

这些性能的提升可以归因于两种处理方式的协同效应。激光刻蚀的沟槽促进了粘接剂在接合区域的塑性变形，从而提高了能量耗散能力。同时，等离子体处理增强了CFRPA66与粘接剂之间的界面性能，使得损伤在CFRPA66基材中得以有效传播。然而，对于仅进行激光预处理的AA5052表面，其导致的表面波纹（如图12所示）增加了应力集中，从而削弱了粘接剂在基材与粘接剂界面的结合能力，影响了接合结构的整体性能。

#### 3.3 断裂形貌与增强机制

在图9中，展示了仅对CFRPA66表面进行等离子体处理的接合结构的断裂形貌，其中裂纹在金属-粘接剂和CFRPA66-粘接剂界面同时出现，表明粘接剂的断裂能得到了显著提升。相比之下，未处理的接合结构主要在CFRPA66-粘接剂界面发生断裂，这在文献中也经常被报道。

在图10中，进一步展示了激光刻蚀沟槽后的AA5052- CFRPA66接合结构的断裂形貌。粘接剂在沟槽中表现出逐渐变白的现象，这通常表明其发生了塑性变形。此外，图10c显示了粘接剂在CFRPA66表面的断裂情况，表明粘接剂在CFRPA66表面的断裂能也有所提升。

#### 3.4 复合材料-粘接剂界面结合与金属沟槽诱导增强

为了更深入地理解金属沟槽对粘接性能的影响，研究者们通过计算建模分析了不同沟槽尺寸和复合材料-粘接剂界面性能的相互作用。模型中的接合结构由一个150 μm × 150 μm × 150 μm的上层复合材料基材、一个150 μm × 150 μm × 150 μm的下层金属基材以及一个依赖沟槽尺寸的粘接剂层组成。在金属基材上引入了不同宽度和深度的三角形沟槽，以模拟激光刻蚀的特征。同时，模型中考虑了不同的复合材料-粘接剂界面结合强度（σ_it/σ_at = 0.5、1.0、1.5），以代表不同的粘接性能水平。

对于弱复合材料-粘接剂界面结合（σ_it/σ_at = 0.5），金属基材上的沟槽并未显著提升接合结构的粘接性能，这可能是因为在弱界面处，损伤起始和传播主要发生在金属-粘接剂界面。然而，对于中等和强界面结合（σ_it/σ_at = 1.0、1.5），沟槽的引入显著提升了接合结构的粘接性能，分别提高了约14%和10%。这表明，在界面结合强度较高的情况下，沟槽能够有效引导损伤在粘接剂中传播，从而提升粘接性能。

在图13a中，展示了不同沟槽尺寸对接合结构在拉伸条件下的载荷-位移曲线。随着沟槽尺寸的增加，载荷峰值逐渐上升，表明粘接性能得到了改善。此外，图13c-d还展示了不同界面结合强度下的损伤分布和等效塑性应变（ε_eq,p），进一步支持了沟槽对粘接性能的增强作用。

### 4. 结论

本研究通过实验和计算建模分析了混合激光-等离子体表面处理对金属-CFRTP接合结构粘接性能的影响。研究发现，激光刻蚀AA5052和等离子体处理CFRPA66的混合处理显著提升了接合结构的粘接性能，其中最大断裂能提升了187%。然而，当仅对CFRPA66表面进行等离子体处理，而AA5052表面进行激光刻蚀时，粘接性能并未显著提升，甚至有所下降。这表明，CFRPA66表面的激光刻蚀可能导致了空隙缺陷，影响了粘接剂的分布和结合能力。

此外，研究还发现，金属基材的激光预处理虽然增加了表面粗糙度，但可能引入应力集中，导致粘接剂在金属-粘接剂界面的早期失效。因此，在进行混合表面处理时，应同时对金属和复合材料表面进行处理，以确保粘接性能的最大化。

总体而言，本研究为金属-CFRTP接合结构的表面处理方法提供了新的见解，表明混合处理策略可以显著提升粘接性能。这些发现不仅有助于理解接合结构的性能提升机制，也为未来在汽车、航空航天等领域的轻量化设计提供了理论支持。