碳纤维增强热塑复合材料作为轻质合金替换性材料近年来受到轻量化产业的青睐，其与金属的连接结构设计在航空航天、轨道交通、汽车等轻量化行业具有广泛的应用前景，也逐渐成为异种材料连接的研究热点。但这两种材料的微观组织及热物理性能差异较大，难以进行熔化焊接以达成冶金结合。激光连接工艺因具备更优异的工业适用性及环保特性，通过突破传统连接机制、优化工艺窗口减少热塑复合材料热损伤缺陷，以实现界面机械咬合使两者达成可靠连接，但连接强度一般较低。
近日，哈尔滨工业大学宋晓国教授团队提出一种界面微-纳双尺度定向调控技术，即：在金属表面预制多孔结构以强化在热连接过程中熔化的树脂基体在金属表面的嵌合作用，并优化金属表面化学状态以吸附更多的极性官能团；依据待连接热塑复合材料的树脂基体官能团组成提出设计纳米级硅烷偶联薄膜定向诱导氢键理念，实现对金属/热塑复材大差异材料热连接界面微-纳双尺度调控。
相关论文以题为“Enhanced interfacial bonding strength of laser bonded titanium alloy/CFRTP joint via hydrogen bonds interaction”发表在Composites Part B：Engineering上。论文第一作者为团队成员檀财旺教授，所指导的博士研究生苏健晖为第二作者，第一通讯作者为团队负责人哈尔滨工业大学宋晓国教授，共同通讯作者为扬州大学夏鸿博博士，该工作得到了国家自然科学基金、山东省优青、哈工大青年拔尖人才等基金的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109966
图1：不同金属表面结构内官能团吸附XPS分析
(a)未处理状态钛合金表面 (b)钛合金表面多孔结构内部
图2：TC4/CFRTP激光连接界面傅里叶红外光谱分析
图3：预制微-纳双尺度调控结构复合强化作用及氢键定向诱导机理
作者以TC4钛合金与碳纤维增强聚醚醚酮(CFRTP)为研究对象，研究微弧氧化复合KH550硅烷偶联薄膜双尺度调控结构在激光连接TC4/CFRTP过程中界面的强化机理。微弧氧化多孔结构的引入显著提高了金属表面的物理粗糙状态，促进界面的机械嵌合行为。同时优化了金属表面的化学状态，羟基（-OH）的吸附含量显著提高，这为硅烷偶联薄膜的定向引入提供了优异的条件。纳米级硅烷偶联薄膜的引入并未改变金属表面的物理结构，表明对机械嵌合无影响，而典型-Si-O及-N-H等官能团出现在金属表面，表明纳米级硅烷偶联薄膜的成功引入，金属表面化学状态满足预期设计需求。通过对连接界面处典型官能团进行傅里叶红外光谱分析发现，引入的氨基及CFRTP内部的羰基及醚键等典型官能团均发生不同程度的红移及蓝移。这表明，引入的纳米级硅烷偶联薄膜在激光连接过程中实现了对界面氢键作用的诱导并被精确捕捉与鉴定。这使得微-纳双尺度调控下的接头性能较未处理状态下提升近一倍。同时，该技术的成本/效益系数值低于领域报道的界面强化技术的平均水平，具有较好的市场应用前景。
这项研究创新地提出微-纳双尺度调控结构，进一步提高了金属/热塑复合材料轻量化结构热连接的可靠性，该设计理念也将为界面定向改性强化提供新思路，为金属/热塑复合材料界面氢键的诱导与鉴定奠定了理论基础。