《Optics & Laser Technology》：Improving adhesion of hybrid Ti-CFRP joints obtained by direct co-bonding technique through laser surface treatments
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本文研究了钛合金与碳纤维增强聚合物（CFRP）混合接头的粘接难题，通过开发基于激光的表面处理技术，旨在提升采用直接共固化（Direct Co-bonding）技术制造的Ti6Al4V-CFRP接头的结合强度。研究系统分析了工艺参数对沟槽纹理几何尺寸（深度、宽度等）的影响，并通过ANOVA和响应曲面法进行优化。通过单搭接接头剪切测试，研究发现激光清洁处理（相比传统砂纸处理）可将接头强度和失效能量分别提升约3倍和20倍。更为关键的是，采用激光纹理化技术后，接头强度和失效能量可分别提升高达6.5倍和75倍，达到了约18 MPa和23.17 J，性能与主要文献中报道的使用传统粘接剂技术的类似接头相当。这项工作表明，采用恰当的激光表面处理，无需外加粘接剂的直接共固化技术可成为一种高效、高性能的混合连接方案。
在航空、汽车、航海乃至运动器材等领域，钛合金（尤其是Ti6Al4V）与碳纤维增强聚合物（CFRP）的“强强联合”正成为实现结构轻量化与高性能的关键。然而，这对看似完美的搭档在结合时却遇到了“水土不服”的难题：钛合金与CFRP在机械、热学和化学特性上差异巨大，传统的连接方法各有弊端。机械紧固（如铆接、螺栓连接）会损伤CFRP并增加额外重量；而传统的粘接技术虽然能实现均匀的应力分布，但对表面制备要求极高，且粘接层易受环境老化影响。特别是对于希望利用CFRP成型过程中的基体树脂作为“粘接剂”，直接与已固化的钛部件进行共固化（Direct Co-bonding）的先进工艺而言，如何在不使用外加粘接剂的条件下实现足够强的界面结合，是一个巨大挑战。以往的研究表明，提升接头强度的关键在于基材的表面预处理。机械打磨（如砂纸处理）简单但可能引入污染和损伤，且难以精确控制处理区域；化学处理效果虽好，却往往伴随着废液处理、成本高以及健康安全风险等问题。激光技术作为一种非接触、精确可控、环保且安全的表面处理手段，为这一难题带来了新的曙光。然而，现有文献中，关于激光处理（特别是激光纹理化）在钛-CFRP直接共固化接头中的应用研究尚属空白。为此，来自意大利坎帕尼亚大学路易吉·凡维特利分校的研究团队在《Optics》上发表了一项深入研究，系统探讨了如何通过激光表面处理来破解这一难题。
研究团队主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们采用了一种波长为1064 nm的纳秒光纤激光器（IPG, YLP-RA 30–1-50–20-20）对钛合金进行表面处理。通过设计4×5全因子实验，研究了激光扫描线数（L）和重复扫描次数（R）对激光刻蚀沟槽的深度、宽度、锥角和毛刺等几何特征的影响，并利用方差分析（ANOVA）和响应曲面法（RSM）建立了统计模型。其次，在优化出的参数基础上，设计并制备了两种具有不同沟槽宽度但深度和填充因子相似的激光纹理（TX1和TX2）。同时，开发了一套激光清洁工艺，用于处理纹理之间的非纹理区域。此外，所有处理后的钛合金试片均与CFRP通过真空辅助树脂灌注工艺进行直接共固化，制成标准单搭接接头。最后，依据ASTM标准对制成的接头进行拉伸测试，获取其表观剪切强度（Strength）和失效能量（Failure Energy），并通过单因素ANOVA和Tukey多重比较法对不同表面处理的效果进行系统评估。研究还借助3D数字显微镜观察失效模式，并辅以表面粗糙度测量、接触角测试和X射线能谱分析（EDS）来深入探究处理效果背后的物理化学机理。
激光纹理与激光清洁工艺的表征
为了获得理想的表面纹理，研究人员首先深入探究了激光参数与沟槽几何形状的关系。实验结果表明，扫描重复次数（R）对沟槽深度和毛刺高度影响最大，而扫描线数（L）则主要决定沟槽宽度。通过RSM模型和实验验证，研究最终选定了两种纹理方案：TX1（窄沟，宽度约140 μm，深度约60 μm）和TX2（宽沟，宽度约400 μm，深度约60 μm），两者的填充因子均为50%。沟槽方向均垂直于加载方向，旨在最大化机械互锁效果。此外，针对纹理化过程中产生的氧化物和碎屑，以及基材原始表面的污染物，研究人员开发了激光清洁工艺，并将其应用于纹理化之前（作为预清洁，如CTX1、CTX2）或之后（作为后处理，如TX1C、TX2C），同时也研究了仅进行激光清洁（C）的效果。
拉伸测试结果与失效模式
拉伸测试结果表明，激光表面处理显著提升了接头的力学性能。与传统砂纸打磨（SP）的参考样件相比：
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激光清洁（C）处理将接头强度和失效能量分别提升了约3倍和20倍。
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纹理化处理的效果更为惊人：其中，TX1（窄沟纹理）结合激光清洁前处理（CTX1）或单独纹理化（TX1）的样品表现最佳，接头强度达到约18 MPa，失效能量达到约23.17 J，相比砂纸处理分别提升了约6.5倍和75倍。Tukey多重比较分析证实，这两种处理（CTX1和TX1）在统计上无显著差异，属于性能最优组。
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纹理化与激光清洁的组合（无论是先清洁后纹理，还是先纹理后清洁）均能带来性能的显著提升，但先纹理后清洁（TX1C, TX2C）或先清洁后纹理（CTX2）的性能略逊于单独的TX1/CTX1。这说明在纹理化后再进行清洁可能会轻微削弱纹理的机械锚固效果。
失效模式分析揭示了性能提升的机理。砂纸处理的样品均为界面粘附失效（Adhesive failure），表明界面结合是最薄弱环节。而所有激光处理的样品均实现了不同程度的粘聚破坏（Cohesive failure）或纤维撕裂破坏（Fibre-tear failure），这意味着破坏更多地发生在CFRP内部或界面的树脂层，而不是金属-树脂界面本身，证明了激光处理极大地强化了界面结合。
关键机理讨论
后续的表面分析（粗糙度、接触角、化学成分）为性能差异提供了合理解释。研究发现：
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粗糙度与润湿性：激光清洁（C）处理后的表面粗糙度（Ra）高于原始表面（AB）和砂纸处理（SP）表面，更重要的是其亲水性（润湿性）显著增强，接触角极低（约6°），远低于砂纸处理（约32°）和原始表面（约97°）。这表明激光处理有效清除了表面疏水污染物，并通过可能的微纳结构改变了表面化学性质，极大改善了树脂对钛表面的浸润性，这是提升化学结合力的关键。
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表面化学成分：EDS分析显示，所有激光处理均导致了表面氧化。激光清洁（C）处理后氧化钛（TiO）含量增加；而纹理化（TX1, TX2）及其与清洁的组合处理导致了更高含量的TiO2（金红石和锐钛矿）形成。钛氧化物的增加有助于提升表面能，从而进一步增强树脂的化学键合。
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纹理几何的机械锚固作用：窄沟纹理（TX1）相比宽沟纹理（TX2）性能更优。这可能是因为TX1在单位面积内提供了更多、更致密的机械“锚点”（即毛刺和沟槽边缘），有利于在较小的尺度上形成更有效的机械互锁，防止裂纹扩展。较宽的沟槽（TX2）虽可能利于碳纤维束的局部渗透，但单位面积内锚点数量减少，综合机械锚固效应可能不如TX1。
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处理顺序的影响：先纹理后清洁（TX1C, TX2C）的性能略低于单独纹理（TX1, TX2）或先清洁后纹理（CTX1），可能是因为后清洁过程虽然去除了氧化物碎屑，但也可能轻微“钝化”或“削弱”了纹理化产生的尖锐毛刺等机械锚固特征。
研究最终得出结论，通过激光纹理化与激光清洁的表面处理，可以显著提升Ti6Al4V-CFRP直接共固化接头的结合性能。窄沟激光纹理（TX1）结合或不结合激光清洁前处理（CTX1），都能将接头强度和失效能量提升至与使用外加粘接剂技术的文献报道值相当的水平。这表明，无需使用额外粘接剂，仅通过精心设计的激光表面预处理，就可以使直接共固化这一简化工艺达到传统粘接技术的高性能标准。其核心机理在于激光处理同时增强了界面的机械互锁（通过微纹理）、化学键合（通过增加表面能与形成氧化物）以及物理润湿性。特别是激光清洁处理，以其简单的工艺过程（相比纹理化）即可带来显著的性能提升，展现了其作为高效、环保预处理手段的巨大潜力。这项工作不仅为高性能钛-CFRP混合结构的制造提供了可靠的技术路径，也展现了激光表面工程技术在先进复合材料连接领域的广阔应用前景。
