1　引言

随着现代社会的高速发展，航空航天、交通和航海等领域对材料的各种性能如疲劳性能、强度、抗损伤性能的要求越来越高。然而，单一的传统金属材料如铝合金、钛合金等无法满足这些要求。碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种新型材料，具有重量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，因此得到越来越广泛的应用。虽然CFRP的性能优异，但是在大型结构件中CFRP无法完全取代各种金属，因此，CFRP与金属的连接是不可避免的^［1-2］。传统的异种材料连接技术存在应力集中、部件过重等问题，而且钻孔操作会对连接件造成损伤^［3-5］。胶接作为一种简单且成本较低的连接方法，不仅可以避免传统连接方式带来的问题，同时胶接机制具有特殊的优势，例如胶接接头平整，密封性、绝缘性、防腐性优异，胶接接头的应力承载面积较大，因此接头的应力分布均匀，不易产生应力集中等^［6］。

胶接界面预处理对接头强度有着很大影响，表面处理可以有效去除CFRP与金属表面残留的颗粒污染物和油污，同时还能改变黏结表面的物理化学特性。目前，常用的金属表面处理工艺可分为两类。一种是通过机械处理增加表面粗糙度，研究表明，铝合金的表面湿润性越好，黏结剂越容易在表面铺展^［7-8］。同时，机械处理会在铝合金表面形成不规则微结构，黏结剂流入其中会形成机械黏合，从而增强黏结强度，例如砂纸打磨、喷砂等方法^［9-10］。另一种是化学处理的方法，这种方法一方面可使黏结界面脱脂，另一方面化学腐蚀可以去除表面氧化层，并在黏结表面形成微纹理结构，也会使黏结强度提升^［11］。激光加工在环境保护、重复性、稳定性和表面改性方面具有显著优势，兼具机械表面处理和化学表面处理方法的优点，有望在未来成为有效的替代方法^［12-14］。

基于以上特点，国内外学者展开了很多研究。邹田春等^［15］研究了不同搭接长度对CFRP单搭接接头的拉伸性能及失效特征的影响，结果表明：随着搭接长度的增加，接头平均剪切强度先降低后趋于稳定，同时接头失效特征由剪切力主导向剥离力主导转变。杜婷婷等^［16］研究了纳秒激光表面处理对CFRP表面润湿性和胶接性能的影响，结果表明：与未处理的CFRP相比，激光处理后的CFRP表面粗糙度和润湿性明显增加，同时胶接强度提升了129.41%。刘一凡等^［17］研究了表面变宽度网格微织构对TC4与CFRP激光连接工艺以及连接界面的强化机理，结果表明：随着微织构宽度的增大，CFRP在TC4表面的接触情况由不润湿变成润湿，表面微织构显著提高了TC4表面对熔化CFRP的吸附能力，促进了界面的机械嵌合作用。微织构能增加界面接触面积并实现表面改性，促进CFRP与TC4在高温下发生化学连接，从而进一步提高接头强度。Özgür等^［18］研究了不同浓度的硅烷偶联剂下CFRP胶接接头强度的变化，结果表明：在硅烷偶联剂体积分数为3%的情况下，黏结强度达到17.27 MPa，并且在铝合金表面检测到了硅氧烷基团，这被认为是铝合金与环氧树脂之间形成了化学键。Xie等^［19］采用两步激光表面处理的方法改善CFRP单搭接接头的性能，结果表明：利用激光雕刻交叉沟槽结构可以有效提升连接强度，并且碳纤维的径向与轴向热导率是不同的，这导致不同方向上的激光扫描效果不一致。

在已知的研究中，激光表面处理和化学表面改性的方法都可以提升CFRP与铝合金接头的强度，但是目前国内外关于二者共同作用下CFRP与铝合金胶接接头的强度变化研究鲜有报道。因此，本文将激光表面处理和化学表面处理的方法结合起来，通过激光阶梯扫描的方法在铝合金与CFRP表面上制备了倒钩阵列，并研究了倒钩阵列结构和硅烷偶联剂共同作用下铝合金与CFRP胶接接头的强度和失效类型。通过X射线光电子能谱（XPS）方法分析了硅烷偶联剂表面改性后胶接界面的成分变化。

2　实验材料与方法

2.1　实验材料与设备

本实验选用铝合金与碳纤维增强塑料作为黏结材料。铝合金尺寸为25 mm×100 mm×2mm。CFRP是由碳纤维预浸料热压制成的，每层预浸料的厚度约为0.15 mm，采用0°/90°交叉编织铺设方法，尺寸为25 mm×100 mm×2 mm。胶黏剂主要成分为环氧树脂。

在本实验中铝合金与CFRP都需要进行表面处理，为了使结构可以更好啮合，使用同一台激光器进行处理。所用激光器的波长为1064 nm，最大输出功率为30 W，脉冲宽度为10 ps，重复频率可在50 kHz~1 MHz范围内调节。激光器及光路示意图如图1所示。

图 1. 激光器及光路示意图。（a）激光器实物图；（b）激光器光路示意图

Fig. 1. Schematics of laser and optical path. (a) Physical picture of laser; (b) schematic of laser optical path

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2.2　实验过程

2.2.1　表面处理方法

本实验的目的是比较铝合金与CFRP表面经过不同方法处理后接头强度的变化，因此表面处理方法主要是以下三种：

第一种方法是利用砂纸对铝合金与CFRP表面进行打磨，增加表面粗糙度。砂纸打磨后在丙酮中对样品进行10 min的超声清洗，待样品自然干燥后进行下一步黏结操作。

第二种方法是用激光阶梯扫描的方法在铝合金与CFRP表面上制备出倒钩阵列结构，具体方法如图2所示，其中Ls为倒钩结构间距。从图2（a）、（b）可以看到，倒钩阵列由六级台阶组成，每级阶梯又由踏面（台阶水平的部分，长度用Lt表示）和踢面（连接两级台阶踏面的垂直部分，长度用Lr表示）组成。图2（c）详细展示了倒钩结构的主要参数以及制作过程。整个过程共分为6个步骤，每个步骤完成一级台阶的制作，每级台阶的扫描方式为网格状扫描，网格的大小为50 μm×50 μm。对于单一的倒钩结构，有两个最重要的参数：一个是倒钩结构的深度（用D表示），它等于6个台阶的踢面长度之和；另一个是倒钩结构的宽度（用W表示），它等于6个踏面长度之和。为了确保不同参数的样品仍有相似的啮合形状，倒钩结构的W与D比值被设定为5。利用这种表面处理方法可在铝合金与CFRP表面上得到相互啮合的倒钩阵列结构。CFRP的表面处理方法与铝合金完全一致，不同点仅在于激光参数的选择。表1给出了铝合金与CFRP倒钩阵列的形状参数。表2给出了制作铝合金与CFRP表面倒钩阵列所使用的激光参数。将激光处理后的铝合金与CFRP放在丙酮中超声清洗10 min以去除激光处理产生的颗粒杂质，待样品自然干燥后进行下一步黏结操作^［20］。

图 2. 倒钩阵列参数及制作过程示意图。（a）倒钩阵列结构；（b）倒钩阵列参数示意图；（c）倒钩阵列制作过程示意图

Fig. 2. Schematics of barb array parameters and fabrication process. (a) Structure of barb array; (b) schematic of barb array parameters; (c) schematics of barb array fabrication process

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第三种表面处理方法为硅烷偶联剂表面改性法。该方法是在经过激光处理并超声清洗后的铝合金表面上均匀涂抹硅烷偶联剂，再放入干燥箱中干燥，然后进行下一步黏结操作。

2.2.2　黏结方法

用胶枪在经三种方法处理后的铝合金与CFRP样品表面涂抹黏结剂，通过按压的方法将铝合金与CFRP搭接在一起，并使倒钩结构正确啮合。通过特制夹具给铝合金与CFRP接头施加0.3 MPa的压力，压力值的大小通过定力矩扳手调节。接头制作完成后在常温下固化24 h，并在两端贴上垫片以平衡施加拉伸载荷时产生的力矩，制作CFRP铝合金胶接接头的过程示意图如图3所示。

图 3. 胶接过程示意图。（a）激光处理；（b）涂抹硅烷偶联剂；（c）涂抹黏结剂；（d）加压粘结；（e）添加垫片

Fig. 3. Schematics of gluing process. (a) Laser treatment; (b) application of silane coupling agent; (c) application of adhesive; (d) pressurized bonding; (e) addition of gaskets

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3　结果与讨论

3.1　倒钩结构的制作与啮合效果

3.1.1　铝合金与CFRP表面处理后的形貌

图4为铝合金与CFRP倒钩阵列的3D形貌图。其中，图4（a）、（b）是整体宏观形貌的10倍放大图；图4（c）、（d）为缓坡位置的微观形貌图，拍摄倍数为50倍，拍摄位置分别在图4（a）、（b）中的方框区域。从图4（a）可以看出，铝合金倒钩结构的方向具有高度一致性，不同深度倒钩结构的缓坡与陡坡的倾斜角度基本一致。从截面数据可以看出，铝合金表面倒钩阵列深度为150 μm（根据前期研究，倒钩阵列的深度为150 μm时连接强度最高，因此本实验选择倒钩阵列的深度为150 μm），且宽深比为5。图4（c）为倒钩结构缓坡表面的微观3D形貌图。由于激光的扫描方式为网格状扫描，且网格的大小都为50 μm×50 μm，缓坡表面都为独立的尖刺状结构。这种尖刺结构可以增大黏结剂与铝合金的有效接触面积，增强机械互锁效应，有利于提升胶接接头的强度。

图 4. 倒钩阵列结构的3D形貌图。（a）铝合金表面倒钩结构的宏观3D形貌图；（b）CFRP表面倒钩结构的宏观3D形貌图；（c）铝合金倒钩结构的微观3D形貌图；（d）CFRP倒钩结构的微观3D形貌图

Fig. 4. 3D morphologies of barb array structure. (a) Macroscopic 3D morphology of barb structure on aluminum alloy surface; (b) macroscopic 3D morphology of barb structure on CFRP surface; (c) 3D microstructure of aluminum alloy barb structure; (d) 3D microstructure of CFRP barb structure

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图4（b）为CFRP表面倒钩阵列的宏观3D形貌图。由于碳纤维在轴向和径向上的热传导的各向异性^［21］，激光阶梯扫描方法在CFRP表面上制备的单个倒钩结构并没有铝合金表面上的规则，但依然是明显的倒钩阵列，从截面图可以看出倒钩阵列的深度达到150 μm，符合实验要求。图4（d）显示了碳纤维倒钩结构缓坡面的微观结构，其高度平缓下降，可见扫描效果比较好。

3.1.2　铝合金与CFRP表面倒钩啮合效果

图5为不同表面处理方法下的接头截面图。从图5（a）可以清楚看到，铝合金倒钩阵列与CFRP倒钩阵列有比较好的啮合效果，铝合金倒钩可以嵌入到CFRP中，增强机械互锁效应。当施加拉伸载荷时，这种结构可以提供反向的抵抗力，提升接头拉伸强度。同时，黏结剂在压力的作用下会流到图3（c）所示的独立尖刺状结构的周围，使得铝合金与黏结剂的结合强度有较大的提升，避免了铝合金表面发生黏附失效。如图5（b）所示，对于砂纸粗化处理的接头，铝合金与CFRP表面都形成了不规则的微结构，少量黏结剂可以流入到这种结构中，增强了两个黏结界面之间的机械互锁效应，使接头强度提升。但是这种结构中的两个表面不能相互啮合，提供的抵抗力有限，所以接头强度提升有限。如图5（c）所示，对于未进行表面处理的接头，铝合金表面非常光滑，黏结剂无法有效粘附在铝合金表面，因此无法形成有效接头。

图 5. 胶接接头截面图。（a）倒钩阵列接头的截面；（b）砂纸粗化处理后接头的截面；（c）未处理接头的截面

Fig. 5. Cross-sectional views of adhesive joint. (a) Cross section of barb array joint; (b) cross section of joint after sandpaper roughening; (c) cross section of untreated joint

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3.2　断口失效分析

3.2.1　胶接界面XPS分析

利用XPS研究了硅烷偶联剂表面改性后铝合金与CFRP结合界面的化学键成分。图6（a）、（b）显示了未经硅烷偶联剂表面改性处理的铝合金界面Al2p轨道和O1s轨道的XPS图。从图6（a）可以看到，未处理的铝合金界面主要为峰（结合能为74.7 eV）。界面上检测到的O1S光谱可分为三个不同的峰，即峰（结合能为532.3 eV）、环氧树脂的CO峰（结合能为533.2 eV）和环氧树脂的C—O峰（结合能为531.7 eV）。Al2p和O1s光谱中的所有成分峰都是从铝合金和环氧树脂之间的结合界面中检测出来的，在没有硅烷偶联剂表面改性的情况下，界面上没有形成新的化学键。图6（c）、（d）显示了经过硅烷偶联剂表面改性处理后铝合金界面检测到的Al2p和O1s轨道的XPS图。与未改性的界面不同，改性后界面的Al2p轨道出现了一个新的峰（结合能为74.6 eV）。图6（d）中的O1s光谱分为5个不同的峰，即峰、C—O峰、CO峰、O—Al峰（结合能为530.8 eV）及一个新的Si—O峰（结合能为532.5 eV）。如图6（a）、（c）所示，未经处理界面的Al2p光谱仅有一个峰（结合能为532.3 eV），在硅烷改性后，铝合金表面出现另一峰。如图6（b）、（d）所示，改性后O1s光谱出现了Si—O和Al—O键，这证明改性后的铝合金表面出现了新的峰Si—O—Al，即改性后铝合金与黏结剂之间形成了化学键连接，铝合金与胶黏剂形成硅烷过渡层，增强了连接效果，有助于提升接头强度及稳定性^［22-23］。

图 6. 铝合金断口的XPS图。未经硅烷偶联剂改性的（a）Al2p和（b）O1s光谱；经硅烷偶联剂改性后的（c）Al2p和（d）O1s光谱

Fig. 6. XPS images of fracture interface of aluminum alloy. (a) Al2p and (b) O1s spectra without silane coupling agent modification; (c) Al2p and (d) O1s spectra after silane coupling agent modification

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3.2.2　接头拉伸剪切强度

图7为不同处理方法下CFRP与铝合金胶接接头的强度图。强度计算方法为

式中:S为拉伸强度；Fmax为最大准静态破坏载荷；A为黏接面积。如图7所示，可以看出：未经任何处理的接头强度最低只有1.5 MPa；而经过表面处理后强度会明显增加，与砂纸打磨处理相比，激光处理后的强度提升24.6%，达到16.7 MPa；经过硅烷改性后强度有小幅度提升，达到17.4 MPa。

图 7. 接头强度图

Fig. 7. Schematic of joint strength

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3.2.3　断口失效类型分析

本实验所涉及的失效类型共分为三种。第一种是黏附失效（简称AF）。黏附失效是指失效发生在金属与黏结剂之间或黏结剂与CFRP之间，且黏结剂在金属或CFRP表面没有残留，这种失效模式对应于最弱的结合强度，需要避免。第二种失效是内聚失效（简称CF）。内聚失效是指黏结剂内部发生的失效，即在金属与CFRP的表面都保留有一层黏结剂。许多研究表明，从黏附失效转变为内聚失效可以极大地提高黏结强度。如果CFRP部分碳纤维被拔出并残留在金属表面上，这种失效形式是碳纤维撕裂失效（简称CFT）。图8为不同表面处理方式下接头的断口及对应的拉伸强度。图8（a）为未经过任何表面处理的样品断口，可见铝合金一侧的失效类型全部为黏附失效，铝合金表面没有任何黏结剂残留，因此强度较低。图8（b）为砂纸打磨处理后接头的失效类型。经过砂纸打磨后，铝合金与CFRP表面的粗糙度显著增加，因此黏结剂与接触表面的黏结效果有很大提升，断口呈内聚失效，相对应的黏结强度有较大的提升。但是，由于砂纸打磨的不均匀性，部分位置的黏结剂依然会从铝合金表面脱落，这些位置的失效类型是黏附失效，因此砂纸打磨处理的接头强度不是最高的。图8（c）为经过激光表面处理但是未经过硅烷偶联剂表面改性的样品断口。激光处理形成的倒钩结构会容纳更多的黏结剂，这阻止了黏附失效的形成，因此这种接头的断口基本没有黏附失效。同时，铝合金与CFRP表面相互啮合的倒钩阵列使机械互锁效应更加明显，所以接头的强度进一步提升到16.7 MPa。图8（d）为经过激光表面处理与硅烷偶联剂表面改性的样品断口。与图8（c）一样，图8（d）的失效类型依然没有黏附破坏，这就意味着强度不会很低。在硅烷偶联剂的作用下，铝合金表面被成功改性，一方面，硅烷偶联剂的作用主要是在铝合金与黏结剂之间形成化学键，增强黏附效果，减少黏附破坏的发生概率，使强度提升。但是激光处理已经使黏结剂粘结得比较牢固，黏附破坏的发生概率已经非常小，如图8（c）所示，所以强度的提升效果比较有限。另一方面，经硅烷改性后，黏结剂在铝合金表面的黏附效果得到进一步提升，小部分位置的黏结剂与铝合金的黏附异常牢靠，这些位置在拉伸时就会产生强度更高的碳纤维撕裂破坏（CFT），如图8（d）所示，接头整体强度提升，但是这种碳纤维撕裂破坏的发生概率在硅烷改性后并不是很多，因此强度的提升有限，强度进一步提升到17.4 MPa^［24-25］。

图 8. 不同处理方法下胶接接头的断口图。（a）未处理；（b）砂纸打磨处理；（c）只进行激光处理；（d）经过硅烷偶联剂改性和激光处理

Fig. 8. Fracture diagrams of adhesive joints under different treatment methods. (a) No treatment; (b) sandpaper treatment; (c) only laser treatment; (d) silane coupling agent modification and laser treatment

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4　结论

通过激光阶梯扫描的方法在铝合金与CFRP表面制作了相互啮合的倒钩阵列。观察了倒钩阵列的制备效果和啮合效果，测试了不同表面处理方式对胶接接头拉伸强度的影响，分析了硅烷偶联剂改性处理后表面的成分变化，得到如下结论：

第一，激光阶梯扫描的方法可以在铝合金与CFRP表面形成规则的倒钩阵列，并且啮合完美。这种结构使铝合金与CFRP黏结界面之间的机械互锁效应大幅提升，形成高强度高稳定的胶接接头。

第二，对改性后的铝合金表面进行XPS分析，结果表明，硅烷偶联剂可以成功改性铝合金表面，在铝合金表面形成Al—O—Si键，这证明了硅烷偶联剂表面改性后会在黏结剂与铝合金连接界面之间形成硅烷过渡层，这是胶接接头强度进一步提升的主要原因，同时黏结界面间的硅烷过渡层也增加了接头的稳定性。

第三，接头断口图像显示，随着接头强度的增加，内聚失效开始大规模出现，同时由于硅烷偶联剂改性处理后黏结强度进一步提升，因此少部分的表层碳纤维被撕裂，断口开始出现碳纤维撕裂失效。

以上结果显示：在硅烷改性和激光织构共同作用下，接头强度明显提升，同时接头稳定性也有所提升，形成高强度胶接接头。这可以使CFRP与铝合金复合结构件的整体强度大幅提升，有利于CFRP轻量化应用。