激光结构化聚合物-金属杂化材料粘附增强的表面设计中尺度效应研究：基于分形维数的方法

本文针对聚合物-金属杂化材料（PMH）界面粘附强度优化问题，通过激光加工在铝合金6082表面构建不同尺度的沟槽结构，结合分形维数（Fractal Dimension）定量分析，揭示了结构尺度与粘附性能的关联性。研究发现，在保持宽深比（Aspect Ratio）恒定时，分形维数（1.09-1.16）与剪切强度（3.5-18.5 MPa）呈强相关性（R2 > 0.94），证实了分形维数作为跨尺度表面设计准则的可行性，为资源高效型轻量化材料开发提供了新思路。

　　

在可持续制造业与轻量化技术快速发展的背景下，聚合物-金属杂化材料（Polymer-Metal Hybrids, PMH）因其结合金属高强度与聚合物低密度的特性，成为汽车和航空领域的关键材料。然而，界面粘附强度不足始终是制约其性能的瓶颈。传统机械紧固会增加重量，而依赖化学粘接剂又面临环境耐受性问题。机械互锁（Mechanical Interlocking）通过表面结构化实现物理锚定，但如何量化结构参数对粘附性能的影响，尤其是结构尺度（Scaling）的效应，仍是未解难题。

德国开姆尼茨工业大学的Niclas Hanisch团队在《Aquaculture》发表研究，首次系统探讨了激光沟槽结构的尺度效应。研究人员采用纳秒脉冲激光（Nd:YVO₄）在铝合金EN AW-6082 T6表面加工宽度15-45 μm、深度20-80 μm的沟槽，通过控制扫描次数和偏移量实现10%-30%结构密度。借助光学显微镜（OM）和激光扫描显微镜（LSM）获取二维/三维形貌数据，结合分形维数（Box-Counting算法）定量表征结构复杂度。通过热压接合玻璃纤维增强聚酰胺6（PA6-GF30）制备搭接剪切试样，并建立蒙特卡洛模型虚拟生成10万组沟槽参数，以回归分析优化结构-性能关系。

材料与方法的关键技术

1. 1.

   激光结构化：采用Kugler Microgantry GU数控系统，通过"wobble"功能实现圆形激光路径加工；

2. 2.

   界面表征：Olympus GX51光学显微镜（3.6 px/μm）与Keyence VK-9700激光显微镜（1.4 px/μm）获取跨尺度形貌；

3. 3.

   分形分析：基于ImageJ的FracLac插件和MATLAB算法计算二维/三维分形维数；

4. 4.

   强度测试：250 N压力热压接合后，进行搭接剪切测试；

5. 5.

   建模验证：蒙特卡洛模拟生成虚拟沟槽，通过多项式/对数/幂律等模型拟合参数-分形维数关系。

研究结果

尺度影响：在恒定宽深比（0.57-0.89）下，不同尺度的沟槽（15/30/45 μm宽度）表现出相似分形维数（10%密度：1.09±0.01；20%：1.13±0.02；30%：1.16±0.03），证实分形维数的尺度不变性。LSM数据因噪声干扰导致绝对值偏高，但趋势一致。

剪切性能：搭接剪切强度（3.5-18.5 MPa）与分形维数呈线性相关，且相同结构密度下不同尺度试样的强度差异不显著（p>0.05），表明机械互锁效应主要取决于结构几何相似性而非绝对尺寸。

表面设计模型：基于10万组蒙特卡洛模拟数据，发现有理函数模型（R²=0.937）最能准确预测分形维数，其表达式为：

D_MC = (0.002d³+4841.3)/(1+707.74o+6.301w²+55606)+1.082

其中d为深度，w为宽度，o为偏移量。低偏移/小宽度/大深度的组合可最大化分形维数，对应最佳粘附性能。

讨论与意义

该研究首次将分形几何理论应用于PMH界面设计的尺度效应分析，突破性地证明：在保持宽深比前提下，缩小结构尺寸可减少激光加工时间与成本，而不牺牲粘附强度。所建立的有理函数模型为激光参数优化提供了数学工具，例如预测显示：当沟槽宽度从45 μm缩减至15 μm（深度同比减小）时，加工效率提升300%而强度维持不变。

这项成果对轻量化制造具有双重价值：一方面，分形维数作为普适性指标，可推广至其他结构化工艺（如蚀刻、喷涂）；另一方面，虚拟设计-性能预测框架减少了实验试错成本。未来研究可拓展至非对称结构或动态载荷场景，进一步验证该模型的边界条件。通过将数学抽象（分形）与工程实践（激光加工）深度融合，本研究为可持续材料开发提供了跨学科范式。