英文原題：Interface Wetting Driven by Laplace Pressure on Multiscale Topographies and Its Application to Performance Enhancement of Metal-Composite Hybrid Structure?

通訊作者：閔峻英，同濟大學機械與能源工程學院

作者：Hailang Wan?(萬海浪), Hao Teng?(滕昊), Fangwei Lv?(呂方威), Jianping Lin?(林建平), Junying Min?(閔峻英)

金屬-復合材料異質(zhì)構(gòu)件具有輕量化效果顯著、高比強度和高比模量等優(yōu)點而廣泛應用于航天航空和汽車等領(lǐng)域。但理化特性的巨大差異使得金屬與聚合物的界面粘接性能較差，成為金屬-復合材料異質(zhì)構(gòu)件力學性能的薄弱點，在金屬表面進行形貌重構(gòu)（即表面改性）普遍用于解決這一問題。然而，金屬表面形貌的聚合物界面潤濕卻成為一大難題，時常因界面潤濕不足導致粘接界面上形成氣孔缺陷而降低粘接性能。并且不同方法制備的金屬表面形貌尺寸多樣，這使得聚合物的界面潤濕行為更為復雜。因此，需要深入研究多尺度表面形貌的聚合物界面潤濕行為，闡明界面潤濕行為與粘接性能的內(nèi)在關(guān)系，從而科學地指導工程應用中金屬材料的表面形貌重構(gòu)，實現(xiàn)金屬-復合材料異質(zhì)構(gòu)件力學性能的穩(wěn)定提升。、

本研究利用納秒脈沖激光在鋁合金材料制備了三種典型的表面形貌（凹坑、凹槽和方格），通過改變激光工藝參數(shù)調(diào)控表面形貌的關(guān)鍵尺寸參數(shù)：特征大小Φ（凹坑直徑、凹槽寬度和方格邊長，50→200→800?μm）、垂直尺寸（深度或高度，1→117 μm）、分散密度λ?(分布間距s與Φ的比值，1.2→2→3)，并建立了多尺度表面形貌幾何輪廓的數(shù)學方程。

圖 1. 鋁合金多尺度表面形貌。(a)Ф50μm凹坑，(b) Ф200μm凹坑，(c) Ф800μm凹坑，(d) Ф50μm凹槽，(e) Ф200μm凹槽，(f) Ф800μm的凹槽，(g) Ф50μm方格，(h) Ф200μm方格，(i) Ф800μm方格。

構(gòu)建了多尺度表面形貌的聚合物界面潤濕模型，從界面作用力（氣泡壓力、拉普拉斯壓力和聚合物重力）的角度對聚合物的界面潤濕行為進行了理論分析，并通過粘接界面的實驗觀測驗證了正確性，發(fā)現(xiàn)：表面形貌的類型與幾何尺寸對潤濕過程中的界面作用力有著顯著影響。拉普拉斯壓力有利于促進界面氣泡的排出，從而賦予凹槽形貌更優(yōu)異的界面潤濕性能。相反，凹坑形貌極易產(chǎn)生界面氣孔缺陷、受尺寸參數(shù)的影響較大，通過建立的尺寸參數(shù)與界面氣泡體積理論模型很好地闡明了界面氣孔缺陷的形成機制。粘接強度測試結(jié)果表明：界面潤濕行為會顯著影響粘接強度，造成粘接強度在+18%與-17%的范圍內(nèi)波動，其中首先在200μm凹槽形貌觀察到了穩(wěn)定的界面潤濕。

圖 2. 多尺度表面形貌的聚合物界面潤濕及粘接強度（垂直尺寸最大時）：(a) 微米級形貌、(c) 亞毫米級表面形貌和(e) 毫米級形貌的界面潤濕觀察，?(b)、?(d) 和(f) 為(a)、(c)和(e)相應的粘接強度。

為了探究界面粘接性能對異質(zhì)構(gòu)件性能的影響，利用CFRP和鋁合金（AA6061或AA7075）制備了兩種鋁合金-CFRP異質(zhì)防撞梁，并進行了三點彎曲性能測試。由于凹槽形貌更容易實現(xiàn)界面潤濕而穩(wěn)定地增強金屬-聚合物粘接界面，因此在鋁合金表面制備了凹槽形貌，以確保CFRP與鋁合金之間的變形協(xié)調(diào)和應力傳遞，最終將異質(zhì)防撞梁彎曲性能提高了11%，證明了界面潤濕行為對異質(zhì)構(gòu)件力學性能的重要作用。

圖3.??鋁合金-CFRP異質(zhì)防撞梁彎曲性能測試結(jié)果。(a) 幾何模型和實物圖，(b) 未表面改性和(c) 表面改性后的粘接界面及失效模式，(d)AA6061-CFRP和(e) AA7075-CFRP異質(zhì)防撞梁的載荷-位移曲線，(f) 峰值載荷。

本文對多尺度鋁合金表面形貌的聚合物界面潤濕行為進行了理論和實驗研究，形成了從表面、界面到工程應用的完整邏輯框架。(a) 界面潤濕的微觀力學機理：拉普拉斯壓力與界面氣泡壓力在聚合物潤濕過程中相互競爭，拉普拉斯壓力促進了界面氣泡的排出，使得凹槽形貌具有比凹坑和方格更優(yōu)異的界面潤濕性能。(b) 界面潤濕與粘接性能的內(nèi)在關(guān)系：界面潤濕行為對粘接強度有顯著影響,，造成粘接強度在+18%到-17%范圍內(nèi)顯著波動，Ф200μm凹槽及三種Ф800μm表面形貌均可實現(xiàn)穩(wěn)定的界面潤濕和粘接強度提升。(c) 實際工程應用：鋁合金（AA6061或AA7075）的表面凹槽形貌有效提升了鋁合金-CFRP異質(zhì)防撞梁的抗彎曲性能 (提升11%)。

相關(guān)論文發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上，同濟大學萬海浪博士后為文章的第一作者，?閔峻英教授為通訊作者。

Junying Min ? School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

閔峻英教授的汽車輕量化研究團隊在國內(nèi)外具有重要影響力，團隊承擔了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國際合作以及企業(yè)合作項目等150多項，獲國家教學成果一等獎、上海市教學成果特等獎、機械工業(yè)部科技進步獎、上海市科技進步獎等獎項，獲省部級優(yōu)秀博士學位論文2人次。團隊擁有國家級青年人才1名，上海市領(lǐng)軍人才（海外）2名，德國洪堡學者2名，同濟大學青年百人計劃2名，以及三十余位博士后（含1位上海市超博）和博士/碩士研究生。