关键词： 碳纤维增强热塑性复合材料 铝合金  激光蚀刻

在现代航空航天和汽车工业追求极致轻量化的今天，碳纤维增强热塑性复合材料/铝合金（CFRTP/Al）更是其中的明星，通过胶粘介质，将成本低、延展性好、密度低的铝合金板材与质量轻、极限应变小的碳纤维增强热塑性复合材料结合在一起，弥补了各自组分材料的缺点，在保证必要力学性能的前提下实现减重。然而，这对“天作之合”也面临着“同床异梦”的风险：金属与复合材料之间的异质界面，是结构中最薄弱的环节，极易在制造或使用中发生分层失效。【1】

• 挑战：当光滑铝板遇上“抓不住”的复材

天生“光滑”：铝合金表面在空气中会自然形成一层致密的氧化膜，这层膜虽然能防腐蚀，但其光滑的表面却大大弱化了与胶粘剂、复合材料之间的机械嵌合作用。

低表面能：热塑性树脂（如PEEK、PP、PA）分子链多为非极性或弱极性，表面能极低。胶粘剂滴上去就像水珠落在荷叶上，无法润湿铺展，导致胶层与基材只是“点接触”，缺乏分子间作用力。

• 方法：用“光”在金属表面绘制增强密码

用皮秒激光在铝合金粘接区域，蚀刻出规则的方形网格微织构，通过改变“雕刻”的工艺参数，提升结合强度。

表面“微雕”：使用皮秒激光系统，在铝合金试件表面雕刻网格。这里研究了三个关键“刀法”参数：激光功率、扫描速度和光斑间距。

复材制备：将处理好的铝合金、胶粘膜和碳纤维增强PA6预浸料按顺序叠放，放入模具，在平板硫化机中热压成型，制成复合层板。

图1 CFRTP/Al复材热模压层压示意图

性能测试：将层板加工成标准的“单搭接”拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸，直至界面被拉开，记录最大拉力和计算剪切强度。

图2 单搭接接头尺寸示意图（单位：mm）

科学寻优：采用正交实验法，系统性地安排了16组不同参数组合的实验，并与未做任何表面处理的对照组进行对比。

三、发现：寻找让结合力“起飞”的黄金参数

1. 微观形貌的奥秘

通过超景深显微镜观察发现，短脉冲（皮秒）激光蚀刻出的槽线干净、网格清晰，热影响区小，精度极高。就像用最锋利的刻刀，留下了清晰利落的笔触。

图3 激光蚀刻方形织构的微观形貌

研究还量化了“刀法”对“笔迹”宽度的影响：增大激光功率、降低扫描速度，可以显著增加蚀刻线宽。这为精确控制表面形貌提供了依据。

图4 激光功率对蚀刻线宽的影响曲线

图5 激光速度对蚀刻线宽的影响曲线

2. 参数优化

最佳性能：设置激光功率70%、扫描速度500 mm/s、光斑间距150 μm，这一组参数，使单搭接接头的剪切强度达到了最高的 7.27 MPa。比未经任何表面处理的对照组（5.05 MPa）提升了44%！充分证明了激光蚀刻表面处理的有效性。关键工艺参数：通过极差分析发现，三个参数中，光斑间距对结合强度的影响最大，激光扫描速度次之，激光功率的影响相对最小。这意味着，在铝合金表面雕刻出的“网格”密度（由光斑间距决定），是决定结合力提升的关键。

图6 剪切强度均值主效应图

3. 失效界面的故事

“密而深”的网格效果最好：当激光速度较慢（≤1000 mm/s）、光斑间距较小（≤100 μm）时，蚀刻出的网格又密又深。此时失效时，胶粘膜几乎全部留在铝合金一侧，说明铝合金与胶的粘接力，已强于碳纤维增强PA6与胶的粘接力。这是界面得到最强化的标志。

“疏而浅”则效果减弱：当网格变得稀疏或浅时，失效模式变为“混合失效”，胶膜在铝板和碳纤维增强PA6上各留一部分，说明强化效果有所下降。

参考文献：

【1】 《激光蚀刻对 CFRTP/AL 复材层间结合性能影响

的综合实验》，《实 验 技 术 与 管 理》第 42 卷 第 2 期 2025 年 2 月