《Journal of Materials Research and Technology》：Laser-induced surfaces biomimetic texturing for high-strength GFRTP/Al alloy joints: Analysis of Failure Modes and Strengthening Mechanisms
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金属-热塑性复合材料混合结构在轻量化工程中的应用日益广泛，但其可靠性常受限于较弱的界面结合。本研究采用激光诱导表面织构化技术对5083铝合金（Al alloy）进行处理，以改善其与玻璃纤维增强热塑性复合材料-PA6（GFRTP）的热压连接性能。研究人员制备了四
金属-热塑性复合材料混合结构在轻量化工程中的应用日益广泛，但其可靠性常受限于较弱的界面结合。本研究采用激光诱导表面织构化技术对5083铝合金（Al alloy）进行处理，以改善其与玻璃纤维增强热塑性复合材料-PA6（GFRTP）的热压连接性能。研究人员制备了四种表面织构，包括方形、菱形、蜂窝状和鱼骨状图案，并进行了系统比较。研究了表面形貌、润湿性、界面浸润、化学键合及断裂行为对接头强度的影响。激光织构化显著提高了铝合金的表面粗糙度并改善了其润湿性，促进了熔融PA6向沟槽内的渗透并形成了机械互锁。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了界面处C-O-Al键的形成，表明化学键合的贡献。与未处理接头相比，所有织构化接头均表现出更高的拉伸剪切强度。其中，鱼骨织构化接头的强度最高，达到23.12 MPa，是未处理接头的2.59倍。断口形貌和有限元分析表明，仿生织构促进了应力重新分布和裂纹偏转，从而导致了更高比例的树脂内聚破坏。这些结果表明，激光诱导仿生织构化是增强GFRTP/铝合金接头的一种有效策略。
论文解读：激光诱导表面仿生织构化强化GFRTP/铝合金接头
一、研究背景与问题
随着轨道交通、汽车工程和航空航天等领域对轻量化的需求日益增长，单一材料难以满足复杂服役条件下的综合性能要求，因此金属与热塑性复合材料的混合结构受到广泛关注。然而，铝合金（Al alloy）与玻璃纤维增强热塑性复合材料（GFRTP）在物理和化学性质上存在显著差异，导致二者之间的连接强度通常较低。传统的粘接和机械连接方法存在效率低、应力集中严重等固有缺陷。近年来，热连接方法如激光连接、摩擦连接、超声波连接和热压连接等因其高效率、低残余应力和高接头强度而成为主流。在这些方法中，通过表面处理技术在金属表面构建微观结构以形成机械互锁，是提升接头性能的关键途径。尽管已有研究探索了简单沟槽、网格和孔洞等织构的作用，但对于能够调控界面应力演化和失效模式的复杂仿生织构的研究仍不充分。为此，研究人员开展了本研究，旨在通过激光诱导在5083铝合金表面制备仿生织构，系统揭示其对GFRTP/铝合金接头强化机制的影响。该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。
二、关键技术方法
为开展此项研究，研究人员采用了以下主要关键技术方法：
- 1.
激光织构化处理：使用纳秒脉冲光纤激光器在5083铝合金表面制备了方形、菱形、蜂窝状和鱼骨四种织构图案，并通过Box-Behnken实验设计（BBD）结合响应面法（RSM）优化了激光功率、扫描速度和脉冲频率三个关键参数。
- 2.
热压连接工艺：将经激光处理的铝合金板、PA6薄膜和GFRTP板依次叠放，在230℃、2 MPa条件下热压5分钟，制备单搭接接头。引入PA6薄膜作为额外树脂层以补偿GFRTP表面树脂不足。
- 3.
表征与测试手段：使用光学轮廓仪测量表面形貌和粗糙度，采用接触角测量系统评估表面润湿性，利用万能试验机进行拉伸剪切测试，借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察断口形貌和元素分布，并使用X射线光电子能谱（XPS）分析界面化学键合状态。
- 4.
有限元分析（FEA）：基于ABAQUS软件建立了简化的界面应力分析模型，采用双线性内聚力区模型（cohesive zone model）模拟界面损伤和失效行为，对比不同织构下的应力分布特征和失效载荷。
三、研究结果
3.1. 激光参数优化
通过BBD-RSM方法建立的二次响应面模型具有统计显著性（模型F值为10.36，p值为0.0028）。方差分析表明，扫描速度对接头强度影响最大，其次为激光功率，脉冲频率影响较弱。最终确定的最优激光参数组合为：激光功率86%、扫描速度120 mm/s、脉冲频率20 kHz，在该参数下预测的拉伸剪切强度为20.45 MPa。
3.2. 表面特性
激光织构化后，铝合金表面粗糙度（Sa）从未处理的2.54 μm显著提升至约35-39 μm，其中蜂窝状织构达到38.68 μm。同时，表面接触角从未处理的102.07°大幅降低至53-62°，鱼骨织构最低（53.02°），表明润湿性显著改善。各织构的沟槽宽度、深度和间距等几何参数实测值与设计值接近，排除了微观几何参数差异对力学性能的影响。
3.3. 混合接头的力学性能
拉伸剪切测试结果显示，未处理接头的强度仅为8.94 MPa。所有激光织构化接头的强度均显著提高：方形和菱形织构分别达到18.79 MPa和20.33 MPa，为未处理的2.10倍和2.27倍；蜂窝状和鱼骨织构进一步提升至21.97 MPa和23.12 MPa，分别为未处理的2.46倍和2.59倍。此外，仿生织构（蜂窝状和鱼骨）接头的载荷-位移曲线下面积更大，失效位移更长（分别为1.71 mm和1.86 mm），显示出更高的断裂韧性和能量吸收能力。
3.4. 混合接头的界面形貌
横截面SEM和EDS分析表明，熔融PA6树脂在压力作用下充分填充了激光加工的微沟槽，形成了致密的机械互锁结构。元素线扫描显示C和Al元素在界面处存在一定宽度的过渡层，表明树脂不仅填充了宏观沟槽，还渗透到了表面微孔和氧化层中。XPS分析在Al 2p谱图中检测到约76.3 eV处的子峰，证实了C-O-Al共价键的形成，且半定量分析显示蜂窝状和鱼骨织构中该组分的相对峰面积更高，这可能是其接头强度更高的潜在原因之一。
3.5. 混合接头的断口形貌
断口SEM观察揭示了不同织构的失效模式差异：方形织构接头主要表现为界面粘附失效，伴有少量树脂内聚失效；菱形织构接头中树脂残留区域增大，显示出更高的内聚失效比例；蜂窝状织构接头虽观察到因封闭胞状结构导致的孔隙缺陷，但大量树脂残留和纤维暴露表明其有效分散了界面应力并促使裂纹发生弯曲偏转；鱼骨织构接头的铝合金侧几乎完全被残留树脂覆盖，GFRTP侧出现严重的基体损伤和广泛的纤维暴露，表明其失效模式已转变为以树脂内聚失效为主。
3.6. 混合接头的失效机理分析
有限元模拟得到的载荷-位移曲线趋势与实验结果一致，其中蜂窝状和鱼骨织构模型表现出更高的峰值载荷和更大的失效位移。von Mises应力云图显示，方形织构在横向沟槽壁附近存在明显应力集中，菱形织构通过倾斜沟槽部分缓解了应力集中，而蜂窝状和鱼骨织构则呈现出更均匀的应力分布，尤其是鱼骨织构界面区域的应力更低且更连续。综合分析认为，仿生织构通过其互联或分叉的几何形状促进了应力重新分布和裂纹偏转，从而将失效模式从界面粘附失效转向更有利的树脂内聚失效。
四、总结与讨论
本研究系统比较了四种激光表面织构对5083铝合金与GFRTP热压接头力学性能和失效机理的影响。研究表明，激光织构化显著提高了铝合金的表面粗糙度和润湿性，促进了熔融PA6的渗透和机械互锁的形成。XPS分析证实了界面处C-O-Al化学键的存在，表明化学键合也做出了贡献。在所有织构中，鱼骨织构表现最为突出，其接头强度达到23.12 MPa，是未处理接头的2.59倍。断口分析和有限元模拟共同揭示，仿生织构（特别是鱼骨织构）通过实现更均匀的应力分布和诱导裂纹偏转，促使失效模式从界面粘附失效转变为以树脂内聚失效为主，从而显著提升了接头强度和韧性。该研究证实，激光诱导仿生织构化是一种有效的强化GFRTP/铝合金接头策略。
研究结论翻译如下：
(1) 激光织构显著增加了铝合金的表面粗糙度并改善了润湿性。其中，鱼骨织构效果最佳，表面粗糙度（Sa）达38.68 μm，接触角降至53.02°。
(2) 激光织构显著提高了GFRTP/铝合金接头的拉伸剪切强度和韧性。具体而言，蜂窝状和鱼骨织构接头分别达到了21.97 MPa和23.12 MPa（相较于未处理接头的8.94 MPa，分别提升了146%和159%）。
(3) PA6薄膜的引入创建了富树脂界面。这不仅建立了牢固的机械互锁，还促进了界面的化学键合。这种机械与化学效应的协同作用增强了连接性能。
(4) 鱼骨织构实现了更均匀的应力分布，显著降低了界面峰值应力，并诱导了裂纹偏转。这使失效模式从界面粘附失效转变为以树脂内聚失效为主导。
