帝國理工李昶最新Composites Part A：復材粘接

航空航天領域常需使用輕質高強材料，如碳纖維增強復合材料、鋁合金等。一些較大或復雜的結構件制造涉及到材料的連接。粘接是一種較為理想的材料連接方法，不僅可規避一些其他方法中涉及鉆孔、高溫等過程對材料造成的損傷，而且對于異種材料粘接而言，引入膠層能夠杜絕異質材料長期接觸產生的電化學腐蝕。粘接前，通常需進行材料表面預處理，以增強材料與膠之間的界面結合。

早期相關研究主要涉及金屬-金屬或復材-復材粘接（同種材料粘接），近年來復材-金屬粘接（異種材料粘接）受到研究關注。然而，較少有研究同時囊括兩種粘接，也鮮有將兩種粘接進行對比分析或深入探究粘接機理。近日，英國帝國理工（Imperial College London）的李昶等人在復合材料領域頂級期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing發表了題為“Effect of CFRP surface topography on the adhesion and strength of composite-composite and composite-metal joints”的研究論文，通訊作者為李昶博士、孫鳳振博士和Bamber Blackman教授。

[創新提要]

1.論文將同種材料粘接與異種材料粘接進行了對比分析并提出了新的機理解釋。

2.實驗采用了模壓、熱壓罐兩種不同的制備工藝，并比較了不同工藝對材料表面預處理及最終材料粘接性能的影響。

3.對于兩種復材及用于異種材料粘接研究的鋁合金，實驗都嘗試了丙酮清洗、噴砂處理、等離子體處理三種方法，并詳細對比了不同方法在不同材料上的效果。

4.實驗所用的碳纖維復材、鋁合金、粘接用膠膜均為航空航天等級，測得的粘接性能數值高，具有參考價值。

[重點數據展示]

如圖1(a-b)的光學顯微鏡及掃描電鏡圖所示，模壓制得的復材(CFRP-1)表面較為平整，而由于熱壓罐工藝使用了脫模布等輔助材料，制得的復材(CFRP-2)表面有規則的紋路。圖1(c-f)為經過丙酮清洗(AC)及等離子體處理(PL)后，復材表面化學元素分布能譜分析結果。圖2展示了噴砂處理(GB)對于復材表面形貌及化學組成分布的影響。

圖 1 丙酮清洗、等離子體處理后復材表面形貌SEM圖及元素分布EDS結果? 2022 The Authors

圖2 噴砂處理后表面形貌SEM圖及元素分布EDS結果? 2022 The Authors

圖3展示了表面處理對于材料表面浸潤性的影響。等離子體處理能顯著降低水在材料表面的接觸角（即材料更親水）。

圖3 不同表面處理對于不同材料表面接觸角的改變 ? 2022 The Authors

圖4為最終的粘接性能（單搭接拉伸剪切性能）實驗曲線；圖5為測試時粘接失效后斷面的高清相片。相關數據分析詳見論文原文；有關表面處理對于鋁合金的影響、鋁合金-鋁合金粘接實驗數據等詳見論文的附加信息部分；結論見下文。

圖4 不同接頭單搭接拉伸剪切性能實驗的應力-位移曲線匯總 ? 2022 The Authors

圖5 不同單搭接接頭粘接失效后斷面的高清相片 ? 2022 The Authors

【主要結論或啟示]

1.等離子體處理作為碳纖維復材粘接前的表面預處理十分有效：能高效去除表面污染物、增強材料表面活性、降低接觸角等。

2.噴砂作為鋁合金表面預處理一定程度有效：能改善表面粗糙度，增強機械互鎖以提升粘接強度。但針對航空航天領域等有更高要求時，可能仍需對材料表面進行化學改性，建議嘗試或附加鉻酸處理或硅烷化試劑處理等方法。

3.當復材表面處理工藝為丙酮清洗時，熱壓罐帶來的紋路相當于難以用手工清理的死角，對比平整表面，用丙酮擦拭時效果更差。當方法為等離子體處理時，等離子體的高能沖擊可有效清理表面，熱壓罐工藝帶來的紋路相當于增大了材料暴露于等離子體環境中的比表面積，有助于提高復材-復材粘接強度。

4.當復材與表面較為平整的鋁合金粘接時（異種材料粘接），從單搭接力學拉伸剪切實驗結果上看，有熱壓罐工藝紋路的復材粘接性能低于模壓工藝的平整復材。推測是紋路擴大了復材與鋁合金的非相似性，即粘接接頭兩端材料的不對稱性增強，對粘接有負面影響。

5.基于4的進一步分析、參考其他相關文獻、補充更多實驗證據后給出了異種材料粘接新機理解釋（圖6）：當粘接接頭兩端材料平整、對稱時，膠膜在固化時受力較為均勻；當粘接接頭兩端材料不對稱時，膠膜來自兩端受壓不對稱，內部受力不均勻，固化時容易有氣泡產生，最終導致缺陷，拉低粘接強度。

圖6 異種材料粘接的新機理解釋: 不對稱理論 ? 2022 The Authors

文獻鏈接: Effect of CFRP surface topography on the adhesion and strength of composite-composite and composite-metal joints. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023, 164, 107275.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107275

【作者簡介】

李昶 ?英國帝國理工學院，機械工程系博士(2019-2023)。在Matter、International Materials Reviews等期刊共發表SCI論文16篇以上，主要研究方向為①復合材料粘接前的表面處理②碳纖維或樹脂相關應用研究③仿生超浸潤界面粘附與液滴行為。近期以一作/通訊發表其他論文：

[1] Mimicking Nature to Control Bio-Material Surface Wetting and Adhesion. International Materials Reviews, 2022, 67(6), 658-681.

https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1995112

[2] Energy conversion based on bio-inspired superwetting interfaces. Matter, 2021, 4(11), 3400-3414.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.018

[3] Green and Facile Synthesis of Bio-Based, Flame-Retardant, Latent Imidazole Curing Agent for Single-Component Epoxy Resin. ACS Applied Polymer Materials. 2022, 4(5), 3564-3574.

https://doi.org/10.1021/acsapm.2c00138

[4] Flame-retardant single-component epoxy resin cured by benzimidazolyl-substituted cyclotriphosphazene: Storage stability, curing behaviors and flame retardancy. Polymer Degradation and Stability, 2022, 204: 110092.

https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110092

[5] Remarkable temperature sensitivity of partially carbonized carbon fibers with different microstructures and compositions. Materials, 2021, 14(22): 7085.

https://doi.org/10.3390/ma14227085

[6] Stimuli-responsive surfaces for switchable wettability and adhesion. Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18, 20210162.

https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0162

供稿人：碳纖倉鼠