《Composite Structures》：Laser-textured polymer-metal bonding: A combined experimental and computational approach to enhanced mechanical bond strength
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本研究采用纳米秒激光在Al-7075表面加工方格纹理，通过剪切测试发现纹理间距越小，界面结合强度越高，最大达27 MPa，接近商业环氧树脂性能，验证了激光微结构对金属-聚合物界面强化作用。
O.A. Taqatqa|Omar Al Osman|Maen Alkhader|Wael Abuzaid|Ali S. Alnaser
美国沙迦大学文理学院材料科学与工程系，沙迦26666，阿拉伯联合酋长国
摘要
聚合物-金属界面在许多领域中发挥着关键作用，包括航空航天、生物医学、能源和电子学。随着纤维增强复合材料、软聚合物和薄膜的广泛应用，其对这些领域的重要性也在不断增加。强大的界面对于确保可靠的性能至关重要。与粘合剂或传统的连接方法不同，微观互锁技术能够在不依赖温度敏感材料的情况下提供强度。本研究使用激光表面纹理处理技术将丙烯酸与Al-7075合金结合在一起。通过使用纳秒激光在Al-7075基材上制造出方形图案，以促进互锁和粘合。实验用于表征在剪切载荷下这种结合方式的强度。此外，还开发了有限元模型来分析互锁相中的应力分布，并研究聚合物填充物和激光诱导微结构的影响。实验和模拟分别考察了四种不同图案间距（0.5毫米、0.75毫米、1毫米和1.5毫米）的效果。结果表明，减小凹槽间距显著提高了结合强度，最大结合强度达到了27兆帕。结合实验和计算结果可以证实，基于纳秒激光的纹理处理技术能够形成与商用环氧树脂相当强度的互锁结合。
引言
金属与聚合物之间的强结合为两者提供了强度和功能性。随着纤维复合材料、软聚合物和薄膜在工业中的日益广泛应用，这一点变得越来越重要。纤维增强聚合物复合材料具有较高的刚度和强度重量比，因此被用于航空航天[1]、汽车[2]和国防[3]等领域中的轻量化结构。软材料则是软执行器（例如人工肌肉）[4][5]、柔性机器人[6][7]以及储能应用（例如锂离子电池和固态电池中的聚合物电解质[8][9]、太阳能电池中的有机光伏[10]）的重要组成部分。柔软的薄膜也促进了柔性电子产品的开发[11][12]。通常，通过机械连接方式（如螺栓、铆钉）、物理互锁、化学粘合或这些方法的组合来实现坚固的聚合物-金属界面。然而，当互锁特征的尺寸细化到纳米或微米级别（即小于加载接头特征长度）时，可以实现更好的载荷分布，从而减轻互锁几何特征引起的应力集中。第三种方法是化学粘合[17]，它提供了更好的强度重量比并降低了应力集中[18]。化学粘合的聚合物-金属界面的完整性取决于表面质量（如粗糙度和清洁度），因此表面制备和处理是提高高应力应用中粘合强度和耐久性的关键因素[19]。这促使表面处理成为粘合技术研究的重要领域[20][21]。功能性嵌段共聚物的引入和定制的分子耦合策略帮助研究人员克服了金属与聚合物之间固有的弱化学粘合问题。例如，Su等人[22]在Ti-6Al-4V/CFRTP界面成功诱导了高密度的Si-O-Ti共价键和次级分子间相互作用，显著提高了剪切强度和整体接头可靠性[22]。相关研究中，研究人员通过使用功能性Schiff碱聚合物在Ti合金/CFRTP界面促进高密度次级相互作用，从而增强了界面组分之间的强分子间吸引力[23]。
强结合要求表面经过适当处理，以提高粘合剂与基材之间的粘合性能。常见的处理方法如喷砂[24]、酸蚀[25]和等离子喷涂[26]通过粗糙化表面来增强粘合效果，这些方法增加了可用表面积，改善了润湿性并形成了增强结合力的微观互锁结构[17]。然而，这些技术在精度和表面形貌控制方面存在局限性。例如，酸蚀会使用有害化学物质[27]，而喷砂则可能在复杂几何形状上产生不一致性[28]，从而影响整体粘合可靠性。因此，在先进制造技术中，需要更环保的制造工艺和更高精度的表面处理方法。
激光纹理处理具有高精度、良好的重复性和环保性[17][19]。该技术能够创建可控的微结构（如凹坑、沟槽和网格），扩大表面积并通过微观机械互锁增强聚合物-金属粘合。研究表明，这些工程化特征可以提高结合接头的强度[17]。Feng等人[29]观察到，激光诱导的网格图案可使金属-聚合物界面的剪切粘合强度提高多达300%。他们的研究使用了粘合剂来实现粘合。这种改进与更高的润湿性和通过微观机械互锁改善的界面粘合有关。
通过调整激光参数（如脉冲能量[30]、激光波长[31]和入射角度[29]，可以优化激光纹理处理在增强粘合强度方面的效果。脉冲能量和激光扫描次数可以控制去除材料的程度以及金属表面形成的形貌，从而优化表面粗糙度和粘合强度。该过程的高可控性使得可以有选择地对关键区域进行纹理处理，在性能提升和成本效益之间取得平衡，使制造商能够在最需要的地方增强粘合效果，而不会过度处理材料[19]。
微观机械互锁在金属-聚合物界面中可以发挥双重作用：作为表面预处理辅助技术或作为独立的粘合方法。后者通过使用激光生成的微纹理作为仿生支撑机制来实现干式粘合[32]。无论哪种方式，微观机械互锁都能提高金属-聚合物界面对温度、化学和环境因素的抵抗力。
除了粘合和机械连接外，基于焊接的技术也被用来直接连接金属和聚合物。摩擦搅拌焊接、超声波焊接和激光焊接是克服界面问题和限制热降解的先进方法。摩擦搅拌焊接依赖于过程的固态特性，从而防止聚合物分解[33]。同样，激光辅助焊接能够实现高精度的局部加热，使得热塑性塑料与金属能够干净地结合[34]。Khan等人和Lambiase等人的综述文章[35][14]详细介绍了这些技术在结构应用中的机械性能和局限性。尽管取得了进展，但仍存在界面扩散[36]和残余热应力[37]等问题。最近，表面工程（特别是激光微纹理处理）被应用于解决这些挑战。
尽管文献强调了激光纹理处理在创建具有微观机械互锁键的坚固金属-聚合物界面方面的潜力，但尚未明确最佳纹理几何形状或相关几何参数。虽然经常使用带有特定空间密度和方向的沟槽网格，但这些参数尚未得到优化。此外，微观机械互锁可能受材料类型的影响。因此，需要进一步研究纹理几何形状对基于微观机械互锁的粘合效果的影响，并探讨不同材料系统的影响。本研究旨在探讨激光微结构对Al-7075合金和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）接头界面的影响。选择这种材料系统是因为Al-7075和PMMA是轻量化结构应用（如航空航天）中常用组件的关键材料。研究重点关注激光微结构对金属-聚合物界面键强度和微观机械互锁的影响，特别是沟槽间距（即空间密度）这一具体参数。
本研究采用实验和计算方法来研究正方形网格内间距变化对粘合强度的影响。通过单层剪切拉伸测试评估了微观机械互锁的质量。这些测试为不同表面纹理配置下的剪切强度提供了基准[14][16]。此外，有限元分析（FEA）用于模拟接头内部的应力分布，深入探讨了激光诱导微结构和聚合物填充物对应力集中和整体粘合完整性的影响。
材料
本研究使用了厚度为3毫米的Al-7075铝合金板和厚度为5毫米的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板来研究纳米激光纹理处理对粘合强度的影响。Al-7075合金板使用CNC机床加工成50毫米长、12毫米宽的尺寸，而PMMA板则使用激光切割机切割成相同的尺寸。
激光纹理处理
Al合金板的激光纹理处理使用纳秒脉冲光纤激光器（λ=1.064 μm）进行。
纹理表面特性
使用扫描电子显微镜（SEM）图像检查并表征了粘合前的Al-7075激光纹理表面。图8显示了具有1.5毫米、1毫米、0.75毫米和0.5毫米间距的激光结构化和激光清洗后的Al-7075表面。SEM图像显示，激光蚀刻过程在铝表面上生成了均匀的网格状图案。SEM观察表明，无论间距如何，激光蚀刻过程都能生成一致的沟槽。
结论
本研究证明，纳秒激光纹理处理可以在无需化学底漆或粘合剂的情况下在Al-7075合金上可靠地生成微观尺度的互锁特征。当PMMA渗透到这些纹理沟槽中时，局部机械锚固作用主导了剪切载荷下的接头响应。
系统地改变沟槽间距后发现，随着间距的减小，粘合强度增加，这是因为互锁点的数量增多，界面滑动的阻力也得到了改善。
CRediT作者贡献声明
O.A. Taqatqa：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、实验设计、数据分析、数据整理。Omar Al Osman：初稿撰写、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。Maen Alkhader：审稿与编辑、结果验证、监督、数据分析、概念构建。Wael Abuzaid：可视化、结果验证。Ali S. Alnaser：审稿与编辑、项目监督、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了美国大学通过FRG项目（FRG23-C-E09和FRG23-C-S56）的资助。
