通过Al?O?增强化学反应性和机械互锁机制，提高30 wt%碳纤维（CF）/聚苯硫醚（PPS）-A2024复合材料的界面剪切强度

《Journal of Materials Research and Technology》：Interfacial shear strength enhancement of a 30 wt% CF/PPS-A2024 joint via Al 2O 3-enhanced chemical reactivity and mechanical interlocking mechanisms

本研究通过超声辅助FeCl3腐蚀和硅烷涂层处理2024铝合金表面，并添加Al2O3颗粒改性30wt%碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS），显著提升了金属-聚合物界面结合强度。热处理后界面剪切强度达60.6 MPa，较未处理组提高117.4%，同时优化了材料机械性能和热稳定性。

　　在当今的工程材料研究领域，金属与聚合物复合材料因其优异的性能而受到广泛关注。这类材料在航空航天、电力电子和汽车制造等多个行业中发挥着重要作用。然而，金属与聚合物之间的界面结合强度常常成为制约其应用的关键因素。本研究聚焦于提升2024铝合金（A2024）与聚苯硫醚（PPS）之间的界面结合强度，特别是针对PPS在化学反应性上的不足，通过引入Al?O?微粒和表面处理技术，实现界面性能的显著改善。

### 研究背景与意义

聚苯硫醚（PPS）作为一种高性能热塑性聚合物，以其出色的热稳定性、耐腐蚀性和机械强度而著称。然而，PPS分子链的化学惰性限制了其与金属之间的化学键合能力，使得界面结合强度较低。为了改善这一问题，本研究提出了一种双改性策略：一方面通过FeCl?辅助腐蚀和硅烷涂层处理改善A2024铝表面的化学活性和机械嵌合能力；另一方面，将Al?O?微粒引入PPS基体中，以增强其机械性能并促进界面化学键合的形成。

### 材料与方法

研究中使用的材料包括2024铝合金（A2024）、30 wt%碳纤维增强PPS（30-wt.% CF/PPS）以及Al?O?粉末。A2024铝合金的表面处理过程包括FeCl?辅助腐蚀（参数：180 W，70°C，9分钟），随后通过超声波清洗去除残留的FeCl?杂质，并通过酒精清洗去除表面油污。处理后的铝表面再经过硅烷（KH-550）的水解与浸渍，形成均匀的硅烷薄膜，最后通过加热固化。

PPS与Al?O?的混合过程采用干式球磨技术，在97:3的质量比下进行充分混合，以确保Al?O?微粒在PPS基体中的均匀分布。混合后的材料在110°C下干燥4小时后，用于注射成型。为了进一步优化界面性能，部分样品在注射成型后进行了110°C、60分钟的热处理，以促进硅烷与Al?O?之间的化学反应。

### 表面处理与性能提升

通过FeCl?辅助腐蚀和硅烷涂层处理，A2024铝表面的粗糙度显著提高，从原来的光滑状态变为具有复杂结构的微孔表面，这为PPS树脂的渗透提供了良好的物理基础。同时，硅烷分子在铝表面形成化学键，显著增强了界面的化学粘附能力。SEM和EDS分析表明，处理后的铝表面形成了均匀的硅烷薄膜，且其表面元素分布呈现出更丰富的硅氧键和铝氧键。

在热处理过程中，PPS的玻璃化转变温度（Tg）和冷结晶温度均有所变化，表明Al?O?对PPS的晶体结构产生了影响。DSC分析显示，Al?O?的加入提高了PPS的结晶度，从而改善了其热稳定性和机械性能。通过XRD分析，PPS的结晶度从46.6%提升至78.4%，显示出显著的性能提升。

此外，热处理还促进了硅烷与Al?O?之间的化学反应，从而在界面两侧形成了Si–O–Al化学键。这种化学键合与机械嵌合的协同作用显著提高了界面的结合强度。研究结果显示，经过热处理后的界面结合强度达到了60.6 MPa，相比未处理的界面提升了117.4%。

### 界面结构与性能分析

SEM和EDS分析进一步揭示了界面结构的变化。在未处理的PPS–A2024界面中，观察到较多的空隙和缺陷，这表明界面结合不够紧密。而在Al?O?/PPS–Al（Heat）组中，界面结构变得更加均匀，且硅烷分子能够深入PPS基体，形成稳定的化学键合。这种改性策略有效减少了界面空隙，提高了界面的结合性能。

此外，XPS分析证实了硅烷分子在处理后的铝表面和PPS基体中成功形成了Si–O–Al化学键。这种化学键合的形成是通过硅烷分子与Al?O?表面的反应实现的，且热处理提供了必要的反应条件。XPS结果还表明，Al?O?在PPS基体中的分布更加均匀，进一步促进了化学键合的形成。

### 分子动力学模拟分析

为了验证上述结论，研究还采用了分子动力学（MD）模拟方法。模拟结果显示，Al?O?的加入显著增强了硅烷分子在PPS基体中的渗透能力。随着模拟时间的推移，硅烷分子与PPS基体之间的结合能显著增加，表明Al?O?对硅烷与PPS之间的界面相容性起到了积极作用。结合能的增加意味着硅烷分子能够更有效地与PPS基体结合，从而提升界面的结合强度。

### 结论与应用前景

本研究通过引入Al?O?和表面处理技术，成功提高了PPS与A2024铝合金之间的界面结合强度。这种改性策略不仅改善了PPS的机械性能，还通过化学键合与机械嵌合的协同作用，显著增强了界面的结合能力。研究结果表明，经过热处理的Al?O?/PPS–Al（Heat）组的界面结合强度达到60.6 MPa，远高于未处理的界面强度。

此外，研究还揭示了Al?O?在PPS基体中的作用机制，包括其作为异质成核剂和非晶区限制剂的功能，从而提升了PPS的结晶度和热稳定性。通过这些改性手段，PPS的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了107.3%、104.6%和108%。这些性能的提升为PPS在高要求工程应用中的使用提供了理论支持和实验依据。

综上所述，本研究通过综合运用FeCl?辅助腐蚀、硅烷涂层处理和Al?O?微粒增强等手段，有效解决了PPS与金属之间界面结合强度低的问题，为高性能聚合物-金属复合材料的开发提供了新的思路和方法。这些成果不仅对材料科学领域具有重要的理论意义，也对实际工程应用中的结构设计和性能优化具有广泛的指导价值。