韓志勇，馬斯景，路鵬程

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

0 前言

復(fù)合材料是一種通過將樹脂與增強纖維經(jīng)過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：第一代復(fù)合材料主要是玻璃纖維增強復(fù)合材料，常用于軍事和航空領(lǐng)域；第二代復(fù)合材料以碳纖維增強復(fù)合材料為代表，其具有高強度、剛度和耐腐蝕性能，在航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；第三代復(fù)合材料注重材料種類多樣化和性能的進一步提升，包括引入新型增強纖維材料如芳綸纖維和陶瓷纖維，研究熱塑性樹脂、熱固性樹脂、納米復(fù)合材料和智能復(fù)合材料等新材料，也主要用于航空航天、汽車制造和電子設(shè)備制造等領(lǐng)域，并為各行各業(yè)提供了輕量化和高強度的材料選擇［1］。在航空工業(yè)中，近些年來復(fù)合材料在機身、機翼和飛機其他結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用不斷增加，旨在減輕質(zhì)量并提高燃油效率，對提升飛行性能起著重要作用，而且商用飛機上復(fù)合材料的應(yīng)用量成為衡量航空工業(yè)先進技術(shù)的重要指標(biāo)［2］。

由于鋁合金和復(fù)合材料在航空器中具有各自的優(yōu)勢和局限性，需要在設(shè)計和制造過程中進行組合。這種材料的組合和連接使得航空器能夠兼顧輕量化和高強度的要求，以滿足航空工業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)［3］。航空器中常用的連接技術(shù)包括機械緊固、黏合劑粘接或熔融連接。機械緊固的類型包括鉚接、螺栓連接和釘扎等，但由于機械連接可能導(dǎo)致應(yīng)力集中和微觀損傷，限制了其使用范圍，熔融焊接只適用于熱塑性復(fù)合材料［4］，因此，粘接是最常用的連接方法之一，適用于鋁合金和復(fù)合材料之間的連接，尤其是連接不同厚度和不同材質(zhì)的飛機構(gòu)件時。目前，波音747系列客機結(jié)構(gòu)件粘接連接技術(shù)使用量超過30 %，見圖1，而空客A320 系列客機在機身、翼面和舵面等重要部位都廣泛使用了粘接技術(shù)，因此未來航空工業(yè)對輕量化的需求也推動了粘接技術(shù)的發(fā)展［5］。

圖1 航空工業(yè)中的黏合劑連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of adhesive connections in the aviation industry

在航空工業(yè)中，鋁合金和復(fù)合材料的連接技術(shù)復(fù)雜且存在諸多問題，因此連接件的表面處理起著至關(guān)重要的作用。膠黏劑粘接鋁合金和復(fù)合材料時，需要確保其表面清潔和干凈，使膠黏劑能夠有效附著并形成強力粘接。其次，適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)可以增加材料表面的粗糙度，提高膠黏劑與材料的接觸面積，從而增強粘接的強度和耐久性［6］。對于熔融焊接而言，同樣也需要嚴(yán)格的表面處理技術(shù)使其表面清潔并增加表面的粗糙度來保證焊接品質(zhì)［7］。連接前的表面處理步驟對于實現(xiàn)金屬與復(fù)合材料構(gòu)件的長久聯(lián)鎖至關(guān)重要［8］。無論是膠黏劑粘接還是熔融焊接，鋁合金和復(fù)合材料表面都需要嚴(yán)格遵循和應(yīng)用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸椒?，以確保連接的強度和可靠性。鋁合金表面和復(fù)合材料的表面處理過程如圖2所示。

圖2 表面處理的金屬與復(fù)合材料連接示意Fig.2 Schematic diagram of the connection between metal and composite material for surface treatment

在航空結(jié)構(gòu)使用的鋁合金和復(fù)合材料連接技術(shù)中，本文針對各類表面處理方法的研究進展和發(fā)展現(xiàn)狀將進行系統(tǒng)論述。分別介紹和分析鋁合金表面和復(fù)合材料表面幾種不同的主要處理技術(shù)，以及這些技術(shù)對連接性能和機理的影響。研究這兩者連接技術(shù)中的表面處理方法對于提高連接性能、節(jié)約材料和成本以及提升航空安全性所具有的意義和價值。

1 鋁合金表面處理技術(shù)

1.1 機械處理法

鋁合金的表面粗糙度和弱邊界層是影響與復(fù)合材料連接接頭強度和耐久性的重要因素。通過機械處理，鋁合金表面能夠去除稀疏的氧化層并形成峰谷結(jié)構(gòu)，從而增大表面的粗糙度和粘接面積。該方法能夠更好地增強鋁合金與復(fù)合材料之間粘接的力學(xué)性能，并提高接頭的耐久性［9］，如圖3所示。

圖3 機械處理鋁合金表面示意圖Fig.3 Mechanical treatment of aluminum alloy surface

機械處理法包括砂紙打磨和噴砂。機械打磨使用SB（3M 公司生產(chǎn)的Scotch-Brite打磨刷）、砂紙、鋼絲刷等工具對脫脂后的鋁合金表面進行打磨。Kwon 等［10］使用3 種不同目數(shù)的砂紙（P120、P220 和P400）對鋁合金表面進行打磨處理，并探究砂紙目數(shù)對粘接強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用P120 的砂紙打磨得到的單搭接頭具有最佳的粘接強度，比未經(jīng)處理的粘接強度提高了22.31 %。Park 等［11］研究使用不同類型的打磨材料對鋁合金表面進行機械處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)尼龍墊蘇格蘭式打磨可以使金屬表面更加潔凈，從而提高其與復(fù)合材料的粘接強度。因此，需要仔細挑選不同粒度的砂紙和磨損材料類型，以優(yōu)化打磨效果。

噴砂法通過高壓空氣推動氧化鋁或石英石等磨料撞擊鋁合金表面，增加其表面的宏觀粗糙度，從而提高鋁合金與環(huán)氧樹脂黏合劑的機械咬合強度。章等［12］研究了鈦、鋁和鋼的噴砂工藝參數(shù)對碳纖維增強復(fù)合材料與金屬膠粘接強度的影響，試驗表明，在噴砂材料為40 目石英砂，噴嘴距離為150 mm，角度45 °，噴砂壓力為0.5 MPa 的條件下，5052 鋁合金的噴砂參數(shù)達到最佳，為（20±5）s/15 cm2。打磨處理鋁合金表面若出現(xiàn)不均勻粗糙度會導(dǎo)致粘接強度不高。張等［13］研究了經(jīng)過噴砂處理的鋁合金表面形貌對碳纖維增強復(fù)合材料與AA5083 鋁合金搭接接頭抗剪強度的影響，事實表明，噴砂表面具有均勻的粗糙度，所以接頭強度具有較高的穩(wěn)定性，比原始試樣提高了151.45 %。

1.2 陽極化處理法

陽極化處理法是一種將鋁合金試樣浸泡在電解質(zhì)中，并將其作為電解池陽極進行電化學(xué)處理的方法。在航空航天領(lǐng)域，常使用直流陽極化來處理鋁合金表面，以形成一個穩(wěn)定的陽極氧化層。這一氧化層具有均勻的結(jié)構(gòu)和間隙孔洞，其形貌主要取決于陽極化施加的電壓、處理時間、電解質(zhì)濃度、溫度和電解質(zhì)類型等因素［14］。陽極氧化處理中的電解質(zhì)對于鋁合金的粘接強度有著重要影響，Zhang 等［15］研究對比用磷酸（H3PO4）/硼酸（H3BO3）/硫酸（H2SO4）陽極氧化處理鋁合金表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磷酸陽極化處理鋁合金表面產(chǎn)生的多孔的表面結(jié)構(gòu)有利于形成復(fù)合中間層并增強機械鎖定效應(yīng)，改善接頭粘接基體界面的應(yīng)力分布，從而獲得較高的搭接剪切強度和良好的粘接接頭耐久性。另外，祝萌等［16］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磷酸陽極化處理的鋁合金試樣會形成一層多孔且致密的氧化膜，這不僅提高了其表面粗糙度，增大了粘接面積，還改善了表面的浸潤性。鋁合金表面粗糙度與陽極化處理過程中的電解質(zhì)濃度和溫度值成正比，與電源電壓值成反比。此外，隨著處理時間的增加，粗糙度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。陽極氧化法產(chǎn)生的納米管對于接頭強度的提高具有顯著作用。還有一項研究是Ye 等［17］研發(fā)的一種利用電解質(zhì)以及采用氫氧化鈉制備的（ALK）電解質(zhì)進行陽極氧化處理相比較，經(jīng)過（NES）陽極化處理的鈦合金的粘接強度比未經(jīng)處理的提高了73.9 %，而傳統(tǒng)的Na-TESi 、ALK電解質(zhì)陽極化處理比未經(jīng)處理的分別只提高了37.2 %和53.9 %。

1.3 能量處理技術(shù)

1.3.1 激光法

激光處理法是一種通過激光照射鋁合金表面去除污染物的過程。當(dāng)吸收激光能量后，污染物會在低激光通量下被加熱和蒸發(fā)，而高激光通量會改變材料的表面形貌，增加表面粗糙度和表面能［18］。李等［19］研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，金屬表面上形成的凹坑深度和密度也會增加，從而提高其表面粗糙度和實際的粘接面積。此外，掃描間距的增大也會使粘接強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為光斑直徑和掃描間距值越接近，粘接面積就越大。如果掃描間距過小，那么鄰近的凹坑形貌會相互重疊而減少粗糙度；而掃描間距過大，則會導(dǎo)致部分表面沒有受到處理，勢必降低粘接強度。激光處理鋁合金表面是提高復(fù)合材料接頭粘接強度的有效方法。Zhang 等［20］在A7050 鋁合金上采用高速激光紋理加工后，產(chǎn)生不同密度的凸結(jié)構(gòu)，并通過激光導(dǎo)熱連接工藝將其與碳纖維增強聚酰胺6（CFPA6）連接。經(jīng)激光處理過的A7050鋁合金與CF-PA6的連接強度從原來未經(jīng)處理時的8.5 MPa 提高到39 MPa。此外，激光處理還可用于在其他金屬表面創(chuàng)建微圖案，以改善潤濕性和黏附性，例如，Maressa 等［21］利用脈沖纖維激光源在Ti6Al4V 鈦合金表面上創(chuàng)建了不同的紋理圖案，如圖4所示，單搭接剪切試驗結(jié)果顯示，激光處理后的樣品的結(jié)合強度比原始式樣和噴砂處理試樣的粘接強度分別提高了8倍和30 %。

圖4 激光法創(chuàng)造鈦合金圖案的SEM照片F(xiàn)ig.4 The laser method creating an SEM of the titanium alloy pattern

1.3.2 等離子體處理法

等離子體處理法是一種干法的環(huán)保型表面處理方法，目的是去除鋁合金表面的弱邊界層和表面碳氫化合物，并激活鋁合金表面能量。經(jīng)過處理后，鋁合金與黏合劑的界面可以形成強化學(xué)鍵從而提高粘接強度［22］。Saleema 等［23］在室溫下使用大氣壓氦-氧等離子體處理AA6061-T6 鋁合金表面，單搭接剪切試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過15 s 的等離子體處理后，其黏附強度從初始的14.5 MPa 提高至24 MPa。這是因為等離子體處理可以顯著增加鋁合金表面極性羥基的含量，從而與環(huán)氧樹脂形成強化學(xué)鍵，使接頭強度明顯提高。

1.4 溶膠凝膠處理法

1.4.1 硅烷偶聯(lián)劑法

硅烷偶聯(lián)劑法是通過將偶聯(lián)劑預(yù)先涂敷在鋁合金表面，干燥后會在表面形成納米層的涂膜，該膜與復(fù)合材料、膠黏劑均有較好的相容性，可以增強鋁合金與復(fù)合材料之間的界面結(jié)合強度和斷裂韌性［24］。硅烷偶聯(lián)劑的一般分子式為X（CH2）nSi（OR）3，其中X是有機官能團，如乙烯基、氨基、甲基、丙烯氧基和環(huán)氧基，OR 是可水解基團，如甲氧基、乙氧基、乙酰氧基和烷氧基。硅烷偶聯(lián)劑是作為無機基質(zhì)（如玻璃、金屬）和有機材料（如復(fù)合材料、膠黏劑）之間的中介，鋁合金表面上的固化硅烷膜可充當(dāng)鋁合金和復(fù)合材料之間的橋梁，如圖5所示［25］。

圖5 硅烷處理鋁合金表面機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the surface mechanism of silane treatment of aluminum alloy

研究表明，硅烷偶聯(lián)劑在提高粘接強度和耐腐蝕性方面具有顯著的效果，例如，王等［26］研究使用KH570對碳鋼進行預(yù)處理，然后涂上丙烯酸乳膠樹脂，實驗證明經(jīng)過硅烷處理的碳鋼與膠黏劑的結(jié)合強度及耐腐蝕性大大提高。另外，Wu 等［27］將KH560 硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用于7075鋁合金基底，然后將其粘接到復(fù)合材料上，通過單次剪切試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過硅烷處理的試樣的粘接強度與原始材料相比提高了215.5 %。不同種類的硅烷偶聯(lián)劑在粘接過程中都能進一步提高粘接強度，Zhu等［28］使用環(huán)氧硅烷偶聯(lián)劑A-187和胺類硅烷偶聯(lián)劑A-1387 對碳增強鋁層壓板中的鋁合金片進行改性處理，通過剪切試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過這2種硅烷處理鋁合金表面的試樣分別比未經(jīng)處理的剪切強度提高了11.5 %和32.8 %。此外，硅烷偶聯(lián)劑的固化時間和溫度也是影響粘接強度的主要因素，Li 等［25］使用硅烷偶聯(lián)劑KH550 處理6061 鋁合金，研究在不同固化時間和溫度下對鋁合金和復(fù)合材料之間的結(jié)合強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固化30 min 的鋁表面形成了一層結(jié)合致密的硅烷薄膜，固化溫度為175 ℃的結(jié)合強度比未經(jīng)處理的樣品高出約7 倍。圖6 顯示了鋁合金與復(fù)合材料的界面結(jié)合強度隨固化時間和溫度的變化趨勢。隨著固化時間和溫度的增加，界面結(jié)合強度先增加后降低。這是因為固化時間不足，硅烷醇和硅烷分子的縮合和交聯(lián)程度較低，導(dǎo)致偶聯(lián)劑膜的結(jié)合強度較低；而固化時間過長，則容易導(dǎo)致硅烷偶聯(lián)劑膜的氧化和脆性開裂。就溫度而言，升高溫度會增加硅烷偶聯(lián)劑與鋁合金之間的Si—O—Al 共價鍵數(shù)量及其化學(xué)反應(yīng)程度，從而提高界面結(jié)合強度；而溫度過高則會導(dǎo)致硅烷偶聯(lián)劑中的大多數(shù)氨基與硅烷基體共價鍵的斷裂，從而顯著降低粘接強度。

圖6 不同固化條件下Al-PPS復(fù)合材料的界面結(jié)合強度Fig.6 Interfacial bonding strength of Al-PPS composites under different curing conditions

1.4.2 樹脂預(yù)涂層法

根據(jù)機械聯(lián)鎖理論，黏合劑滲入鋁合金粗糙表面的空腔、孔隙和其他不規(guī)則性孔洞中，會發(fā)生黏附效應(yīng)。黏合劑的滲透速度取決于多個因素，如空腔尺寸、表面粗糙度、表面能和黏合劑的黏度。因此，滲透程度對于處理后的鋁合金與黏合劑的黏合強度起著重要的決定作用［29］。為增加滲透深度，研究人員開發(fā)了一種名為樹脂預(yù)涂層技術(shù)（RPC），該技術(shù)使用丙酮作為溶劑稀釋高黏度環(huán)氧膠黏劑。RPC 處理是指在粗糙的鋁合金表面預(yù)先涂敷由90 %丙酮和10 %膠黏劑組成的溶液，如圖7所示。利用丙酮稀釋的膠黏劑能夠有效提高滲透深度，從而增加界面的粘接強度［30］。RPC 處理最初由Wang等［30］提出，他們在黏合之前使用丙酮稀釋的黏合劑處理陽極化后的鋁合金板。單搭接剪切試驗的結(jié)果表明，經(jīng)過RPC 處理的樣品的粘接強度相較于未經(jīng)此處理的樣品提高了46.9 %，由于RPC 處理過程中使用單一成分的膠黏劑，因此具有更好的粘接強度。

圖7 RPC處理示意圖與截面的SEM照片F(xiàn)ig.7 RPC processing schematic diagram and cross-sectional SEM diagram

1.5 混合表面處理法

單一的鋁合金表面處理技術(shù)無法滿足未來航空結(jié)構(gòu)部件的連接接頭耐久性和強度需求，因此鋁合金的混合表面處理技術(shù)成為研究熱點?；旌媳砻嫣幚淼哪康氖窃阡X合金表面形成穩(wěn)定的界面層，以增強鋁合金與復(fù)合材料之間的連接強度和抗剝離性能［31］。鋁合金表面處理的工藝通常包括機械打磨、陽極氧化、高能粒子表面處理、溶膠處理及其組合。通過這些表面處理法的組合，可以獲得更好的鋁合金與復(fù)合材料連接接頭，如圖8所示。

圖8 金屬表面處理示意圖Fig.8 Schematic diagram of metal surface treatment

機械法與溶膠法組合處理鋁合金表面對于接頭粘接強度提高非常有效，Park 等［32］通過對比3 種處理技術(shù)即噴砂與硅烷溶膠法組合（GBS）、噴砂與BR 127環(huán)氧硅烷溶膠法組合（GBSG）以及打磨與磷酸陽極化法組合（PAA），研究表明高溫下鋁合金和環(huán)氧硅烷層之間形成穩(wěn)定的共價鍵，因此GBSG 的耐久性優(yōu)于陽極氧化，圖9所示，GBS 和GBSG 技術(shù)產(chǎn)生的粘接接頭具有相近程度的搭接剪切強度與剝離強度。

圖9 單搭接剪切與浮輥剝離強度對比Fig.9 Comparison of single lap shear and floating roller peel strength

由于美國航空業(yè)的選擇更傾向于使用PAA 處理，研究表明半干法化學(xué)蝕刻工藝（FPL）和PAA 的組合處理鋁合金表面可獲得最佳的粘接強度。如果溶膠法與PAA 法搭配使用，將進一步提高粘接強度。許多類型的溶膠都與PAA 兼容，可為航空航天工業(yè)中的鋁合金和環(huán)氧黏合劑提供長久耐用性［33］。Delolmo等［34］研究發(fā)現(xiàn)部分的陽極氧化膜較薄弱，需要溶膠通過進入薄孔以穩(wěn)定氧化層，并提高防腐蝕性和安全性。鋁合金的組合處理法使鋁合金表面產(chǎn)生的形貌變化直接影響接頭強度，例如Khan 等［35］得出結(jié)論，機械和化學(xué)組合處理（UP）的鋁合金表面會產(chǎn)生明顯劃痕導(dǎo)致粘接失效，機械、電化學(xué)和電火花加工組合處理（EAP）的鋁合金表面平整并產(chǎn)生粘接與內(nèi)聚力失效，而機械、化學(xué)和陽極化組合處理（AP）的鋁合金表面形成凹坑和產(chǎn)生黏合劑內(nèi)聚力失效，并且表現(xiàn)出最高的層間剪切強度，如圖10所示。

圖10 鋁合金表面的T-剝離脫膠Fig.10 T-peel degumming on the surface of aluminum alloy

結(jié)合低成本的機械法與溶膠法組合處理技術(shù)對于鋁合金和復(fù)合材料接頭耐久性提高非常有效，Silva等［36］發(fā)現(xiàn)與經(jīng)過PAA 處理的鋁合金相比，在噴砂處理的鋁合金上結(jié)合溶膠凝膠處理技術(shù)，二者之間的接頭耐久性能非常接近，幾乎沒有裂紋增長和內(nèi)聚失效；再通過比較3 種陽極氧化技術(shù)即鉻酸陽極化（CAA）、硼硫酸陽極化（BSAA）和磷酸陽極化（PAA）處理的鋁合金與FM-94 環(huán)氧樹脂粘接接頭的耐久性性能，發(fā)現(xiàn)陽極化處理的鋁合金通過增強粘接強度能有效抑制膠接接頭界面失效的發(fā)生，從而降低裂紋擴展速率，延長接頭的使用壽命；其表面致密的氧化膜提高接頭長期的耐水性，防止接頭在空氣中受到水和氯離子等的化學(xué)侵蝕，從而減少裂紋的產(chǎn)生和擴展，其結(jié)果如圖11所示。楔子試驗發(fā)現(xiàn)3 種處理后的接頭裂紋隨著時間推移幾乎沒有增長，其接頭耐久性能彼此相當(dāng)。Fernandes 等［37］研究等離子體處理與溶膠法組合處理AA2024鋁合金表面，通過用楔子實驗測試，結(jié)果表明，其與經(jīng)噴砂和鉻酸陽極化組合處理的試樣相比具有更好的耐久性。

圖11 CAA、BSAA和PAA處理粘接接頭的裂紋擴展Fig.11 CAA，BSAA and PAA treat crack propagation of bonded joints

2 復(fù)合材料表面處理技術(shù)

復(fù)合材料的表面處理技術(shù)也可實現(xiàn)鋁合金和復(fù)合材料之間的牢固連接［38］。復(fù)合材料的表面處理技術(shù)包括機械、化學(xué)或能量處理法，如圖12所示。要提高復(fù)合材料接頭粘接強度，有效的表面處理技術(shù)的采用主要取決于復(fù)合材料的種類。

圖12 復(fù)合材料的表面處理示意圖Fig.12 Schematic diagram of the surface treatment of a composite material

2.1 機械處理技術(shù)

2.1.1 剝離層法

剝離層法廣泛用于商用飛機熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)與制造過程，如波音787等復(fù)合材料連接的表面處理［39］。剝離層是由聚酯或聚酰胺等材料組成的織物層，它被添加到復(fù)合材料的表面上，在黏合之前被撕下以避免預(yù)固化的復(fù)合材料表面貼片層的污染。撕下的剝離層會在復(fù)合材料樹脂層中形成粗糙的表面，剝離層纖維和復(fù)合材料基體之間的強黏附會導(dǎo)致剝離層纖維斷裂，斷裂脫落的纖維會顯著降低復(fù)合材料的粘接強度，因此剝離層處理不會提供比機械打磨或等離子處理更高的強度［40］。Bénard等［41］研究了不同類型的剝離層處理對玻璃纖維和碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料粘接強度的影響，最終發(fā)現(xiàn)，剝離層處理的表面特性取決于剝離層的材質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和纖維尺寸，與使用聚酯剝離層處理的復(fù)合材料相比，使用聚酰胺剝離層處理的復(fù)合材料具有更高的表面自由能和黏附剪切強度。盡管剝離層處理具有許多優(yōu)點，但部分剝離層纖維的殘留有時會導(dǎo)致復(fù)材表面缺陷并降低接頭的黏合強度。因此，在黏合之前，使用剝離層與手動打磨組合處理，可以實現(xiàn)更強的粘接接頭［42］。

2.1.2 噴砂法

噴砂法通過去除復(fù)合材料表面的硅酮和氟碳化合物等污染物和靠近表面的低分子量的樹脂薄層，改善復(fù)合材料表面的形貌和表面能并產(chǎn)生粗糙度。雖然砂紙打磨處理易于操作，但打磨的均勻性難以控制，易對復(fù)合材料中的碳纖維造成部分損傷，即使是短時間的表面噴砂處理也會過度損傷局部的表面樹脂和碳纖維層［43］。噴砂法成為提高復(fù)合材料表面和黏合劑之間黏合作用的重要步驟。如圖13所示為用氧化鋁噴砂處理復(fù)合材料后的表面形貌［44］。

圖13 噴砂處理PEEK復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM of PEEK composite material with pretreatment of sand blasting

Njuhovic 等［45］使用氧化鋁沙粒對復(fù)合材料表面進行噴砂處理，結(jié)果表明，粘接強度隨著表面粗糙度的增加而增加。Bechikh 等［46］研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料經(jīng)過噴砂處理與未經(jīng)噴砂處理的相比，粘接強度提高了136 %，與進行剝離層處理的試樣相比，經(jīng)噴砂處理試樣的剪切強度提高了13 %。噴砂法處理復(fù)合材料，如果沙粒過大會損壞復(fù)合材料的碳纖維部分，削弱復(fù)合材料接頭的力學(xué)性能。岳等［47］研究發(fā)現(xiàn)，與打磨相比，噴砂處理明顯提高了碳纖維增強復(fù)合材料與膠黏接的剝離強度，其研究結(jié)果見表1，證明使用60 目石英顆粒噴砂處理復(fù)合材料表面粘接剝離強度為最高。

表1 噴砂處理復(fù)合材料表面的剝離強度Tab.1 Peeling strength of sandblasted composite material surface

2.2 化學(xué)處理技術(shù)

溶膠法（PR）是在涂上黏合劑之前涂覆在復(fù)合材料表面上的薄膜化學(xué)物質(zhì)，通過改變其表面的化學(xué)性質(zhì)以實現(xiàn)之前無法有效黏合的復(fù)合材料表面產(chǎn)生黏合性。化學(xué)法處理復(fù)合材料表面黏附機理的核心是化學(xué)反應(yīng)理論，其中黏附強度主要取決于其化學(xué)鍵的強度［48］。

溶膠法處理復(fù)合材料的效果取決于溶膠層的化學(xué)性，Hamdi等［49］的研究結(jié)果如圖14所示，溶膠法處理雖然降低了三元乙丙橡膠（EPDM）的粘接強度，但改善了聚氯乙烯（PVC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）的粘接強度。溶膠層的化學(xué)性和黏合劑的種類決定黏附機制化學(xué)反應(yīng)的速率和程度。溶膠法對于ABS 的粘接強度的提升非常有效，其粘接強度的提高表明溶膠層成功地增強了膠黏劑與復(fù)合材料之間的化學(xué)鍵強度。

圖14 無處理、清洗處理和溶膠處理的復(fù)合材料對比Fig.14 Composite treatment under different conditions：untreated，cleaned and sol-gel treated

2.3 能量處理技術(shù)

2.3.1 紫外線法

紫外線（UV）法是目前針對熱塑性復(fù)合材料表面進行清潔和改性的創(chuàng)新方法。熱塑性復(fù)合材料通過設(shè)備LH6 MKII UV 的紫外線輻射復(fù)合材料表面以改變其表面的化學(xué)性質(zhì)，增加其表面能量和活性位點，從而提高潤濕性和黏附強度［50］。Mathieson 和Bradley［51］首次使用UV 輻射處理聚乙烯（PE）和聚醚醚酮（PEEK）復(fù)合材料以增強其黏合性，拉伸試驗證明，經(jīng)這樣處理后接頭粘接強度顯著增加。通過紫外線法處理的熱塑性膠膜可以成為復(fù)合材料的膠黏劑，如Shi 等［52］使用UV 輻照PEEK 薄膜作為碳纖維增強復(fù)合材料的共熔黏接劑，與未經(jīng)紫外處理的未添加PEEK 膠膜接頭相比，斷裂所需能量從380 J/m2顯著增加到經(jīng)過UV 輻照15 min的PEEK 薄膜黏合接頭的820 J/m2。數(shù)據(jù)表明，在PEEK 復(fù)合材料上應(yīng)用UV 輻射可以使PEEK/環(huán)氧樹脂界面實現(xiàn)強大的黏附性，繼而提高鋁合金與熱塑性復(fù)合材料的接頭強度。

2.3.2 等離子體處理法

等離子體的主要產(chǎn)生方式為電弧放電，根據(jù)工作壓力的不同分為真空處理、低壓處理和常壓處理。等離子體處理法通過真空室中離子和自由基的轟擊引起復(fù)合材料表面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化，如圖15所示。

圖15 等離子體處理的復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.15 SEM of plasma-treated composites

通過氧和氮等離子體處理氧化的復(fù)合材料表面，對于提高PEEK 和聚丙烯熱塑性復(fù)合材料表面的粘接強度更為有效［53］。等離子處理過程包括表面清潔和表面蝕刻（去除弱邊界層和低分子量有機污染）以提高附著力［54］。

常壓等離子體處理通過干法去除復(fù)合材料基板上的表面污染物，與未經(jīng)此處理的相比，能有效去除Si元素和甲基（即脫模劑中聚二甲基硅氧烷的主要組成）［55］。Li 等［56］研究表明由于丙酮清潔無法徹底去除殘留脫模劑［（CH3）2Si—O］，殘留的脫模劑會導(dǎo)致鋁合金與復(fù)合材料接頭的粘接強度顯著降低。隨著非極性基團的活化，處理后的表面提高了羥基、羧基和氨基等極性基團的含量，并增加基團與黏合劑分子或者金屬元素形成氫鍵和共價鍵的數(shù)量，顯著提高復(fù)合材料的表面自由能、潤濕性和與膠黏劑或金屬界面的搭接剪切強度［57］。Kim 等［58］對復(fù)合材料表面應(yīng)用氬氣等離子體處理，以研究工藝參數(shù)（如電壓、時間、壓力）對潤濕性和粘接強度的影響，結(jié)果表明，電源功率控制在10～30 W 之間，處理時間在10～120 s 之間變化時，等離子表面處理達到了預(yù)期的效果。Williams 等［59］使用常壓氦氣和氧氣等離子體處理來改善環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與不銹鋼之間的附著力，研究表明，等離子體活化處理后碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料比原始試樣搭接剪切強度增加了150 %。此外，Sch?fer 等［60］使用類似的方法來提高鋁合金與聚酰胺6 熱塑性復(fù)合材料的粘接強度。Comyn等［61］研究發(fā)現(xiàn)等離子體處理的復(fù)合材料表面具有良好的穩(wěn)定性，在實驗室條件下儲存長達3 個月，也不會明顯損失增強的黏合性能。

2.4 混合處理技術(shù)

復(fù)合材料表面混合處理技術(shù)是指通過在復(fù)合材料表面采用機械處理、化學(xué)處理與能量處理的組合方法，實現(xiàn)其表面物理、化學(xué)性質(zhì)的改變，以改善復(fù)合材料的粘接性能。復(fù)合材料表面混合處理技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，見表2，先通過機械處理改變復(fù)合材料的表面粗糙度、增加表面積，去除表面油脂等污染物，提高其潤濕性，后在表面采用化學(xué)或能量處理，通過增加特定的離子和表面極性官能團來提高其潤濕性和表面能，以增強其黏附強度、耐腐蝕性，進而改善復(fù)合材料的粘接性能。

表2 鋁合金與復(fù)合材料表面處理不同工藝的優(yōu)缺點Tab.2 The advantages and disadvantages of different surface treatment processes for aluminum alloys and composite materials

Encinas等［62］研究了3種復(fù)合材料表面處理技術(shù)即機械處理、常壓等離子體處理（APPT）和機械與APPT組合處理，結(jié)果表明，打磨處理成功地去除了玻璃和碳纖維增強復(fù)合材料表面98 %的氟污染物，雖然APPT處理不能去除其大量表面氟化污染物，但是APPT 能夠顯著增加氧含量，從而提高黏附物的表面能和潤濕性，通過雙懸臂梁（DCB）測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)該組合處理的玻璃纖維復(fù)合材料表面產(chǎn)生的斷裂韌性值比單一處理的高出近100 %。Wang 等［63］研究了剝離層處理、等離子體處理以及剝離層與等離子體組合處理對復(fù)合材料斷裂韌性的影響，測試結(jié)果顯示，通過剝離層和等離子體等表面處理方法，與未經(jīng)表面處理的相比，復(fù)合材料的界面裂紋生長（GIC）值增加了222.66 %。結(jié)合破裂斷口表面觀察，經(jīng)過剝離層與等離子體處理的復(fù)合材料組合呈現(xiàn)出內(nèi)聚破壞模式，在黏合劑和基材之間形成堅固的界面，裂紋在粘接層內(nèi)傳播。通過充分利用粘接性能，接頭的峰值剝離載荷和I型斷裂韌性達到較高的數(shù)值。此外，與溶劑清洗和剝離層處理相比，剝離層加等離子體處理的樣品粘接強度比它們的單一處理分別增加了172.31 %和265.26 %。J?ll 等［64］研究對復(fù)合材料表面進行了兩步功能化處理以提高其粘接強度，先電暈氧化處理復(fù)合材料表面，再通過功能性三烷氧基硅烷和硫醇化學(xué)處理，在復(fù)合材料表面形成了具有反應(yīng)性錨定基團，從而顯著提高接頭的拉伸搭接剪切強度和斷裂韌性。通過所開發(fā)的官能化，對于控制復(fù)合材料表面反應(yīng)性、潤濕性和極性提供了一種有效方案，為增強和優(yōu)化不同黏合劑體系的表面粘接性能提供了方向。

3 結(jié)語

表面處理對于鋁合金和復(fù)合材料的膠接和熔融粘接的接頭強度和性能提升至關(guān)重要，處理方式主要分為2個方面。一是鋁合金粘接面的表面處理：主要目的是通過機械、陽極化、溶膠凝膠和等離子體組合處理技術(shù)先去除雜質(zhì)、提升粗糙度以滿足其表面清潔的先決條件，后在其表面產(chǎn)生納米層的機械聯(lián)鎖和化學(xué)鍵結(jié)合層以實現(xiàn)牢靠的粘接性能。二是復(fù)合材料粘接面的表面處理：與鋁合金表面處理的目的類似，處理技術(shù)包括機械法、化學(xué)法和能量處理法，但是具體的處理技術(shù)則取決于各種復(fù)合材料表面復(fù)雜的物理與化學(xué)性質(zhì)。熱固性復(fù)合材料適用于剝離層法和等離子體法的組合處理以提高其粘接強度，而由于熱塑性復(fù)合材料表面能較低，可通過機械、紫外線和等離子體組合處理來提高其表面活性，確保復(fù)合材料表面的最佳粘接性能。在粘接方面，我們發(fā)現(xiàn)表面組合處理技術(shù)使得接頭粘接強度和耐久性與單一處理的相比有顯著提高，這為研究粘接性能進一步的優(yōu)化提供了潛能。

熱塑性復(fù)合材料憑借其獨特優(yōu)勢，在航空工業(yè)的未來發(fā)展中將得到日益廣泛的應(yīng)用，目前面臨的挑戰(zhàn)在于鋁合金與熱塑性復(fù)合材料熔融連接接頭的強度和耐久性尚不能滿足航空工業(yè)的高要求。鋁合金與熱塑性復(fù)合材料的熔融連接方面的研究較少，因此，深入探究膠接的表面處理技術(shù)對于提高熔融連接的接頭強度與耐久性成為關(guān)鍵。本文通過深入探討目前幾種主要的表面處理技術(shù)的原理和研究進展，提出了針對鋁合金的機械、陽極化和溶膠組合處理以及針對復(fù)合材料的機械、能量組合處理相結(jié)合的新型表面處理工藝，使連接機理從分子間弱相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)閺娤嗷プ饔?，以改善異質(zhì)材料連接的不穩(wěn)定性，為鋁合金和熱塑性復(fù)合材料的熔融連接性能強化奠定了基礎(chǔ)。

總之，為了滿足飛機輕量化和高強度的要求，突破主要航空材料鋁合金與最新高性能的航空材料熱塑性樹脂、熱固性樹脂、納米復(fù)合材料和智能復(fù)合材料等新材料的粘接和焊接技術(shù)就成了當(dāng)前的核心課題?；谝陨涎芯糠治?，我們必須根據(jù)各種材料的屬性和特點，揚長避短，尋求科學(xué)靈活的材料表面組合處理技術(shù)。只有完善了科學(xué)的材料表面處理工藝，促成兩種航空材料界面充分牢固地粘接，才能更好地實現(xiàn)下一步更高端的航材焊接目標(biāo)。