《Solids》：Innovative Surface Treatment Techniques for Carbon Fiber-Based Polymer Matrix Composites
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粘接连接已成为飞机中连接碳纤维增强聚合物（CFRP）结构的一种有前景的技术，相比传统机械紧固具有减重和应力分布均匀等优势。本研究评估了创新的激光烧蚀和静电纺丝表面处理技术相较于传统剥离层方法在二次粘接中的有效性。通过扫描电子显微镜（SEM）和接触角测量表征表面
粘接连接已成为飞机中连接碳纤维增强聚合物（CFRP）结构的一种有前景的技术，相比传统机械紧固具有减重和应力分布均匀等优势。本研究评估了创新的激光烧蚀和静电纺丝表面处理技术相较于传统剥离层方法在二次粘接中的有效性。通过扫描电子显微镜（SEM）和接触角测量表征表面特征和润湿行为，同时通过单搭接剪切试验评估力学性能。结果表明，激光烧蚀（30 W功率，10 m/s速度）实现了最高的粘接强度20.68 MPa，其次是使用10 wt% PA-66纳米纤维的静电纺丝（18.20 MPa）。两种先进技术均显著优于剥离层方法，后者最低剪切强度为15.18 MPa。SEM分析证实，激光处理促进了纤维直接暴露且损伤最小，而纳米纤维提供了增强的物理互锁。总之，激光烧蚀被证明是增强航空航天级CFRP结构界面粘接最有效的技术，其次是静电纺丝，为传统表面预处理提供了优越的替代方案。
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其高比强度、疲劳和冲击抗力以及高模量而广泛应用于航空领域。然而，传统机械紧固方式存在重量增加、孔周应力集中及装配成本高等缺点，粘接连接作为一种轻量化方案，可实现均匀应力分布并提升结构完整性，但其性能高度依赖于粘接剂与基材之间的界面粘附，因而表面预处理成为关键因素。现有预处理方法包括化学法（如酸蚀）和机械法（如剥离层、喷砂、抛光），但化学法存在环境危害大、自动化潜力低及纤维降解风险；机械法中，喷砂易损伤纤维，剥离层会在表面残留树脂层阻碍粘接剂直接接触纤维，抛光则降低表面粗糙度和润湿性。近年来，激光烧蚀和静电纺丝作为新兴技术展现出工业应用优势。为此，研究人员开展本研究，旨在比较优化参数下的激光烧蚀和静电纺丝技术与传统剥离层方法在二次粘接CFRP结构中的有效性。通过扫描电子显微镜（SEM）表征表面形貌、接触角测量评估润湿性，并依据ASTM D5868标准进行单搭接剪切试验评估力学性能。结果表明，激光烧蚀（30 W功率，10 m/s速度）获得最高平均剪切强度20.68 MPa，静电纺丝（10 wt% PA-66纳米纤维，10 min涂层）为18.20 MPa，两者均显著优于剥离层（15.18 MPa）。激光处理实现了环氧树脂完全烧蚀且纤维损伤最小，纳米纤维涂层则通过物理互锁增强界面结合。该研究证实，激光烧蚀是增强航空航天级CFRP界面粘接最有效的技术，静电纺丝次之，为传统表面预处理提供了优越替代方案。论文发表在《Solids》。
研究人员主要采用以下关键技术方法：使用单向碳纤维/环氧预浸料（HexPly
? M91/34%/UD194/IM7-12K，堆叠顺序[45/0/ ?45/90/ ?45/0/45]
s，14层）制造CFRP试样，通过二次粘接工艺（三层Solvay FM
? 300K胶膜）连接。表面处理技术包括：剥离层（Hexcel BI9842聚酯织物）去除；激光烧蚀（IR-Yb光纤纳秒激光，波长1064 nm，频率100 kHz，光斑直径30 μm，脉宽100 ns，优化参数30 W功率，10 m/s扫描速度）；静电纺丝（PA-66纳米纤维，10 wt%浓度，10 min涂层时间，流速20 mL/h，电压30 kV，收距12 cm）。表面形貌通过SEM（扫描电子显微镜）观察，润湿性通过接触角测量（Theta，Biolin Scientific，瑞典）评估，力学性能通过单搭接剪切试验（ASTM D5868，Instron 5985伺服液压试验机）测试。
**1. 表面处理技术对力学性能的影响**
通过单搭接剪切试验评估三种表面处理方法的粘接强度。剥离层处理的试样平均剪切强度为15.18 MPa，失效模式为纤维撕裂和粘接剂混合失效。激光烧蚀（30 W，10 m/s）处理的试样平均剪切强度为20.68 MPa，失效模式同样为混合失效。静电纺丝处理的试样中，10 wt% PA-66浓度获得18.20 MPa，14 wt%浓度为16.77 MPa，表明10 wt%浓度更优。单因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后检验显示，表面处理方法对搭接剪切强度有显著影响（F(2,12)=11.53，p=0.0008），激光烧蚀（p<0.001）和静电纺丝（p=0.034）均显著优于剥离层，但激光与静电纺丝之间无显著差异（p=0.093）。
**2. 表面形貌与润湿性分析**
通过SEM观察和接触角测量表征表面特征。激光烧蚀优化参数（30 W，10 m/s）下，SEM图像显示环氧树脂完全烧蚀，碳纤维直接暴露且损伤最小；接触角显著降低，表明润湿性增强。静电纺丝10 min涂层使纳米纤维均匀分布，接触角低于3 min涂层，10 wt%浓度避免珠状缺陷，形成物理互锁表面。剥离层处理后表面残留树脂层，限制了粘接剂与纤维的直接接触。
**3. 参数优化对比**
基于前期研究，激光烧蚀的优化参数为30 W功率和10 m/s扫描速度，因该组合在保证环氧完全烧蚀的同时将纤维损伤降至最低。静电纺丝的优化参数为10 wt% PA-66浓度和10 min涂层时间，该条件下纳米纤维涂层均匀，接触角最小，且面密度为1.782 gsm，增重低于1%，对厚度影响可忽略。
**总结与讨论部分**：本研究系统评估了剥离层、激光烧蚀和静电纺丝三种表面处理方法对CFRP粘接性能的影响。剥离层方法虽工业应用广泛，但因残留树脂层和污染风险，粘接强度最低（15.18 MPa）。激光烧蚀（30 W，10 m/s）实现完全环氧去除和纤维直接暴露，接触角降低，获得最高平均剪切强度20.68 MPa，但需注意表面化学表征（如XPS或FTIR）未进行，润湿性与强度关系为定性结论。静电纺丝（10 wt% PA-66，10 min）通过纳米纤维物理互锁提供高能表面，粘接强度18.20 MPa，但过高浓度（14 wt%）导致珠状缺陷和强度下降。所有试样均呈现混合失效模式，局部粘接剂失效归因于剥离后清洁不彻底、激光能量密度不均匀或纳米纤维分布不均。单搭接剪切试验固有的二次弯曲效应引入剥离应力，但比较评估仍有效。结论：激光烧蚀是增强界面粘接最有效的技术，其次是静电纺丝，两者均需精确控制参数以避免损伤或缺陷。未来研究应关注激光均匀性和纳米纤维均质分布。本研究为高性能单向碳纤维/环氧体系提供了创新表面处理基准，但表面化学和基体热性能影响结果，对其他复合材料体系（如热塑性基体或玻璃纤维增强）需进一步比较研究。
**研究结论**：本研究表明，激光烧蚀（30 W功率，10 m/s扫描速度）在航空航天级CFRP结构的二次粘接中实现了最高的界面粘接强度（20.68 MPa），静电纺丝（10 wt% PA-66纳米纤维，10 min涂层）次之（18.20 MPa），两者均显著优于传统剥离层方法（15.18 MPa）。激光烧蚀通过完全去除环氧树脂并暴露碳纤维，结合增强的润湿性，成为最有效的表面预处理技术，而静电纺丝通过纳米纤维的物理互锁机制提供补充优势。这些创新技术为传统表面预处理提供了更优越的替代方案，适用于高性能复合材料的粘接连接。
