AA-2024-T3多步表面处理引发碳纤维铝层合板的失效模式转变与界面强化

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Multi-Step Surface Treatment of AA-2024-T3 Produces Failure Mode Transition and Interfacial Strengthening in Carbon Fiber Aluminum Laminates

　　

纤维金属层合板受限于金属-复合材料界面，而在碳纤维铝层合板（CARALL）中，铝表面状态决定了该界面在分层前能够承受的载荷大小。本研究建立了AA-2024-T3多步处理（包括机械打磨、NaOH碱性蚀刻、HNO₃酸洗除灰和硫酸阳极氧化（SAA；15 wt.% H₂SO₄，20 V DC，45 min））如何改变界面失效机制及随后的力学响应。研究考察了两种工艺路线，即真空袋压编织碳纤维织物/环氧树脂（E型）和模压成型单向碳纤维/胶膜（A型），每种路线均采用（2/1）和（3/2）两种构型，通过拉伸、T-剥离、短梁剪切和三点弯曲试验进行评估，每组条件n=3。处理使T-剥离载荷提高了758%（A型）和789%（E型），表观层间剪切强度提高了123%–351%，弯曲强度提高了274%–386%；所有界面主导的比较均达到p≤0.0026，且个体试样值之间无重叠。拉伸强度提高了9%–11%，在n=3时不显著。定量断口分析确定了主导变化：粘附分离转变为混合粘附-内聚断裂，树脂渗入处理所产生的空腔中。这些改善反映了完整序列的效果，而非单独SAA的作用。

随着航空航天、汽车及海洋领域对轻质、高损伤容限结构材料的需求增长，纤维金属层合板（FMLs）将薄金属片与纤维增强聚合物层结合，兼具金属的疲劳裂纹止裂能力与复合材料的高比刚度。碳纤维铝层合板（CARALL）作为下一代FMLs，具有比玻璃纤维基FMLs更高的比模量（230 GPa）和比强度，已在直升机支柱、飞机座椅结构及轻质装甲板中获得应用。然而，CARALL的力学性能受限于金属-复合材料界面，界面质量决定了载荷传递效率与分层抗力。铝表面处理是提升界面粘附的主要手段，其中硫酸阳极氧化（SAA）因避免铬酸盐工艺的环保问题而受到重视。现有研究多局限于单一制备路线、一两种测试模式，且缺乏统计检验和标定/非标定内聚区模型（CZM）的区分。本研究旨在通过两种截然不同的成型路线、四种加载模式、定量断口分析及CZM模拟，阐明多步表面处理改善CARALL界面性能的机理。该论文发表于《International Journal of Adhesion and Adhesives》。

研究人员对AA-2024-T3铝板实施包含机械打磨、NaOH碱性蚀刻、HNO₃酸洗除灰和硫酸阳极氧化（SAA；15 wt.% H₂SO₄，20 V DC，45 min）的多步处理。采用两种制备路线：真空袋压编织碳纤维/环氧树脂（E型）和模压成型单向碳纤维/胶膜（A型），每种路线分别制备(2/1)与(3/2)两种构型，设置未处理对照组。通过拉伸、T-剥离、短梁剪切和三点弯曲测试评估力学响应，利用定量断口分析和CZM模拟揭示失效机制转变。结果表明，处理使T-剥离载荷提高758%（A型）和789%（E型），表观层间剪切强度（AILSS）提高123%–351%，弯曲强度提高274%–386%，所有界面主导比较均显著且个体值无重叠；拉伸强度仅提高9%–11%且不显著。失效模式由粘附断裂转变为混合粘附-内聚断裂，树脂渗入处理后形成的空腔形成机械锚固。这些改善归因于完整处理序列，而非SAA单独作用。

关键技术方法方面，研究人员主要采用了以下方法：（1）多步表面处理：对AA-2024-T3依次进行丙酮脱脂、机械打磨、NaOH碱性蚀刻、HNO₃酸洗除灰和硫酸阳极氧化，未处理对照仅行丙酮脱脂；（2）两种层合板制备工艺：E型采用真空袋压手糊成型，A型采用模压成型（120°C，1.5 MPa）；（3）四种力学测试：拉伸、T-剥离、短梁剪切和三点弯曲，每组n=3；（4）