表面微纹理处理能够抑制PET/Si3N4激光接头因潮湿而导致的性能退化

《Optics & Laser Technology》：Surface microtexturing suppresses moisture-induced degradation in PET/Si 3N 4 laser joints

　　

摘要

聚合物-陶瓷混合激光接头在潮湿条件下容易出现界面性能下降，这严重限制了其长期可靠性。本研究引入了Si₃N₄表面微纹理设计，旨在为水分引起的PET膨胀提供空间，并可能改变界面水分传输。实验结果表明，这种设计策略显著提高了接头的耐用性。经过14天的吸湿循环后，带有微纹理的接头的拉伸破坏载荷保持率分别达到了90.5%和88.5%，明显高于未带微纹理接头的77.6%。28天后，A1保留了其原始强度的61.6%，而A2则由于富含气泡的形态而显示出明显的降解，随着湿度循环的进行，破坏模式从以基底为主转变为混合或界面破坏。这些发现表明，表面微纹理通过机械互锁在潮湿条件下改善了界面完整性，沟槽空间可能容纳了水分引起的PET膨胀。这种方法为提高长期可靠性提供了有前景的策略。

引言

工程塑料PET以其高韧性、低成本、轻量化、优异的化学抗性和振动阻尼能力而闻名，广泛应用于无人机、汽车和生物医学等领域[1]、[2]、[3]、[4]。另一方面，Si₃N₄陶瓷材料因其出色的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性而被广泛用于汽车、航空航天、半导体、微电子和生物医学领域[4]、[5]、[6]、[7]。然而，Si₃N₄陶瓷的高脆性和加工难度限制了其在复杂几何结构中的应用[4]、[5]、[6]。为了解决这个问题，将陶瓷与塑料结合成为关键的研究方向[4]、[6]、[8]、[9]、[10]。陶瓷-聚合物混合结构利用了陶瓷的高强度和热稳定性，同时具备了PET的轻量化、易于成型和优异的振动阻尼能力[1]、[2]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。这种复合结构被视为传统材料的潜在替代品，在先进应用中显示出巨大潜力，特别是在无人机制造领域[1]、[2]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。

然而，由于PET和Si₃N₄在物理、化学和热性质上的显著差异，将这两种不同的材料连接起来仍然是一个主要挑战。传统的连接方法，如粘合剂粘接和机械紧固，存在明显的缺点，包括疲劳寿命短和密封性能不足，这限制了它们的长期可靠性[11]、[12]。尽管已经探索了一些新兴技术，如共固化层压[13]、摩擦搅拌焊接[10]、[14]和激光连接[4]、[6]、[8]、[9]、[15]，但每种方法都有其局限性。例如，共固化层压容易发生分层失效[13]，而摩擦搅拌焊接在处理复杂接头配置和空间受限环境中时存在局限性[16]、[17]。

激光连接工艺由于热影响区小、应力集中低和自动化程度高而具有很大的潜力[18]。然而，关于聚合物-陶瓷混合接头激光连接的研究仍处于初期阶段，主要挑战是接头的拉伸和剪切强度较低[6]、[8]、[9]。例如，Kawahito等人使用特定波长的二极管激光实现了PET与Si₃N₄陶瓷的连接。在最佳工艺参数下，最大拉伸载荷达到了3100 N， bonding面积为约660 mm²，对应的拉伸强度约为4.7 MPa[8]。同样，Tamrin等人使用CO₂激光传导焊接制备了PETG-Macor玻璃接头，但在最佳条件下接头的剪切强度仅为6.3 MPa[6]。Jia等人[19]使用355 nm纳秒激光在AlN陶瓷表面制备了交错方形孔微纹理，并通过双波长激光焊接将AlN与PC连接起来，但剪切强度仍仅达到17.9 MPa，显示出单一微纹理策略的局限性。为了进一步应对聚合物-陶瓷激光连接中界面键合弱的挑战，已经探索了各种策略。例如，Liu等人[9]使用半导体纳秒激光对Al₂O₃陶瓷和PMMA进行了透射焊接，使熔融的PMMA流入Al₂O₃表面预先制备的微盲孔中形成机械互锁，实现了约25 MPa的最大剪切强度，树立了一个更好的基准。

尽管聚合物-陶瓷激光连接的研究仍处于起步阶段，但在密切相关的金属-热塑性激光连接领域已经取得了显著进展。这些研究为界面强度增强提供了有价值的见解，可以为指导陶瓷-聚合物系统的策略提供参考。为了提高金属-热塑性接头的机械互锁性能，通常通过表面预处理来构建微接头。例如，已经使用皮秒激光、纳秒激光和超快激光在金属表面制备沟槽、微网格或仿生纹理，以促进树脂填充并形成锚定结构[20]、[21]、[22]。Wang等人[20]进一步证明，优化沟槽深度-宽度比和沟槽间距离可以有效地抑制气泡聚合并生长，从而提高接头强度。Zhang等人[21]表明，纳秒激光纹理化的微沟槽可以提高熔融热塑性材料的润湿性并减少收缩孔隙率。此外，仿生纹理，如鱼骨状图案和珍珠母状结构，可以改变界面应力分布和裂纹扩展路径，从而影响接头的机械性能[22]。除了物理互锁外，还在金属-聚合物系统中探索了化学键合策略；例如，Su等人[23]使用功能性二嵌段共聚物在界面处诱导高密度共价键，显著提高了键合可靠性。此外，我们之前的研究还表明，在激光连接过程中施加超声振动可以有效增强键合强度：它可以改善润湿行为、机械互锁和化学键合[4]、[24]；提高钛-PET接头的疲劳寿命[25]；减少熔池中的气泡形成[24]。

重要的是，环境因素也被证明会影响金属-聚合物接头的性能。在Tamrin等人的综合综述[26]中，讨论了Ti/polyimide和Ti涂层玻璃/polyimide接头浸入人工脑脊液后的情况，发现28天后接头强度降低了25–57%，这是由于吸水和界面氧化所致。这些发现证实了潮湿环境会显著降低基于聚合物的接头的机械性能。然而，相关数据仍然有限，且此类研究主要关注金属-聚合物系统；陶瓷-聚合物混合接头在潮湿条件下的降解机制尚大部分未得到探索。

对于用于无人机应用的陶瓷-聚合物混合结构，暴露在连续降雨等恶劣天气条件下是不可避免的[27]、[28]。在这种情况下，PET和Si₃N₄在吸水率和膨胀行为上存在显著差异。PET的吸水率通常在0.3%到0.6%之间，吸水后其分子链发生水合，导致分子间距离增加，从而导致体积膨胀[29]、[30]。相比之下，虽然Si₃N₄表面通常具有亲水性，但由于其强共价键和高结构稳定性，吸水后的膨胀率远小于PET[30]、[31]。这种膨胀行为的不匹配可能在潮湿条件下引起界面应力积聚，从而促进界面分层并加速接头降解，进而缩短使用寿命。

为了填补这一研究空白，本研究旨在通过在Si₃N₄表面制备微纹理来提高PET/Si₃N₄接头的长期耐用性。这些微纹理设计有三个主要目的：（1）增强接头的机械锚定效果，提高界面处的键合强度；（2）为PET吸水后的膨胀提供空间，从而减少由膨胀不匹配引起的应力；（3）可能改变界面水分传输，从而延缓与水分相关的降解。通过这种多功能方法，本研究的目的是减轻水分吸收和膨胀对PET接头强度的负面影响，并提高PET/Si₃N₄接头在潮湿环境中的长期耐用性。

章节片段

待连接的材料

连接材料包括Si₃N₄陶瓷和PET片材，Si₃N₄陶瓷的尺寸为60 × 25 × 2 mm³，PET片材的尺寸为60 × 25 × 1 mm³，两者均来自Goodfellow Cambridge Ltd。它们的物理和热性能列在表1中。

为了在Si₃N₄陶瓷表面制备微纹理，使用紫外脉冲激光（HAN'S, EP-50-THG-S）在室温下生成了均匀排列的网格状微沟槽图案。

抑制界面键合降解

正如我们之前工作中的XPS分析所显示的[4]，在当前的激光连接条件下，PET/Si₃N₄界面没有检测到新形成的化学键。因此，尽管机械锚定、物理润湿和化学键合通常有助于不同基材的热塑性材料的激光连接，但在当前的PET/Si₃N₄接头中，物理润湿和机械锚定被认为是主要的键合机制。图5显示了...

结论

表面微沟槽是一种有效的策略，可以提高PET/Si₃N₄混合接头在循环湿度下的长期机械稳定性和可靠性。具体发现如下：

• 1)
  经过14天的湿度循环后，具有表面微沟槽结构的接头（A1_14和A2_14）的拉伸破坏载荷仅减少了9.5%和11.5%，而未开槽接头（A0_14）则减少了22.4%。

CRediT作者贡献声明

Y.J. Chen：撰写——原始草案、资源、方法论、资金获取、数据管理。Q.J. Liu：撰写——审稿与编辑、资源、方法论、资金获取、概念化。F.Q. Yi：研究、数据管理。L. Wei：验证、软件、正式分析。K.C. Chan：撰写——审稿与编辑、资源、项目管理、方法论。

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会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金会（NSFC）（资助编号：52005105）、广东省基础与应用基础研究基金会（资助编号：2020A1515111071）的财政支持。

Y.J. Chen|Q.J. Liu|F.Q. Yi|L. Wei|K.C. Chan