《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：High-performance solution of magnesium alloys and CFRP bonding composites: Constructing magnesium/epoxy continuous hinge-shaped interface
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本研究采用微弧氧化技术处理镁合金表面，结合树脂预涂技术提高环氧树脂渗透性，使MA-CFRP结合强度达14.2MPa，较基线提升144.8%，失效模式由界面脱粘转向CFRP纤维撕裂，证实MAO能有效增强界面结合强度，为高性能镁基复合材料制造提供新策略。
黄文毅|程飞|崔学军|李忠|刘浩|鲍里斯·费杜洛夫|叶夫根尼·洛马金|胡晓志
中国西南科技大学材料与化学学院，生物质材料工程研究中心，绵阳 621010
摘要
本研究采用微弧氧化（MAO）技术对镁合金（MA）表面进行处理，以增强其与碳纤维增强聚合物（CFRP）的粘接强度。MAO处理形成了多孔表面结构，提高了硬度、粗糙度和润湿性，并结合了树脂预涂层（RPC）技术，以促进高粘度环氧树脂渗透到微孔中。使用含有“20 g/L Na?SiO? + 15 g/L KOH + 8 g/L KF”的MAO电解液系统，并结合RPC改性处理后，获得了14.2 MPa的粘接强度，比基线强度提高了144.8%。失效模式从MA界面脱粘转变为主要的CFRP纤维撕裂，表明界面强度得到了显著提升。本研究表明MAO是一种有效的提高MA-CFRP粘接强度的方法，为高性能MA-CFRP复合材料的工业生产提供了有前景的策略。
引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料由于其优异的机械性能和环境耐久性，在航空航天[1]、汽车[2]和军事工业[3]中得到了广泛应用[4]。这些先进材料具有出色的比强度[5]、较高的比模量[6]以及出色的抗腐蚀性[7]。它们轻质特性与高性能的独特结合，在各种高科技领域的关键结构部件中得到了广泛应用[8]。工程实践表明，将轻质金属（如镁合金（MA）与CFRP复合材料结合形成层压混合结构，可以有效降低分层风险，并在平面外载荷条件下提高损伤容忍度，尤其是在低速冲击事件中。尽管传统的机械固定技术（如螺栓连接[10]和铆接[11]）仍然普遍使用，但由于其在应力集中降低[12]、裂纹扩展抑制[13]和应力腐蚀消除[14]方面的显著优势，胶粘剂粘接已成为CFRP与金属连接的更优选择。
然而，在复合材料的应用中，确保结构完整性和保持性能可靠性仍然是基本挑战。现有研究指出了胶粘剂粘接混合复合材料存在的几个关键限制，包括（1）基材与树脂之间的界面兼容性和润湿性差[16]，（2）粘接界面处的机械互锁不足[17]，以及（3）基材/树脂接头界面容易发生脱粘失效[18]。这些技术障碍常常导致界面过早失效，严重限制了此类混合系统的实际应用。因此，全面研究MA-CFRP混合复合材料的结构-性能关系对于克服这些紧迫的技术挑战至关重要。
表面预处理是制造高性能MA-CFRP粘接接头的关键步骤[19]、[20]、[21]。在镁合金基材上构建垂直方向的孔隙、腔体或通道对于建立机械互锁结构至关重要，这是实现高强度粘接的基础[22]。传统方法如喷砂[23]和化学蚀刻[24]可以有效提高表面粗糙度并创建不规则的微观结构，从而增强机械互锁效果并增加有效的粘接面积。然而，这些方法存在显著局限性：喷砂容易引入局部表面缺陷，尽管操作简单，但会降低疲劳抗力；涉及强酸/碱的化学处理会引发环境问题，并需要严格的后续清洗以避免残留污染物导致界面弱化[25]、[26]。这些技术的主要缺点是无法精确控制表面形貌。相比之下，阳极氧化技术通过控制金属表面多孔氧化膜的生成表现出优异的性能，显著提高了复合系统的界面粘接性能[27]、[28]。阳极氧化涂层具有高度有序的纳米通道结构，不仅为树脂渗透提供了理想的机械锚定点，还含有丰富的表面羟基团，能够与粘合剂基体形成化学键[29]。
微弧氧化（MAO）是一种先进的等离子辅助电化学工艺，源自传统的阳极氧化技术，通过局部电弧放电实现了氧化膜性能的突破性改进。该技术能够在轻合金（如镁、铝）表面原位生成10–100 μm厚的陶瓷涂层[30]、[31]、[32]，具有由致密阻挡层和多孔外层组成的独特双层结构。由此产生的粗糙、坚硬的多孔陶瓷涂层具有优异的高温抗氧化性[33]、耐腐蚀性[34]和耐磨性[35]。最近的机理研究阐明了MAO涂层的生长过程，特别是对于镁合金而言。Nashrah等人研究了其基本形成机制[36]，Liu等人考察了MAO处理后的镁合金的长期腐蚀行为[37]，Wang等人系统地描述了随处理时间变化的微观结构演变[38]。与传统蚀刻产生的随机坑洞不同，MAO能够精确制造出垂直排列的微孔阵列，为增强机械互锁提供了更深的锚固路径。此外，MAO涂层上的丰富官能团促进了与环氧树脂之间的密集氢键网络，确保了牢固的界面粘接。尽管MAO在金属表面处理方面已经得到广泛应用，但其增强MA-CFRP接头界面强度的潜力尚未得到充分探索。通过策略性工艺优化（电解液组成、电流模式、处理时间），可以调整陶瓷涂层的特性（孔隙率、化学活性、机械互锁性），从而创建理想的粘接界面。这种创新方法可能克服当前金属-复合材料界面的弱点，为轻量化结构制造提供新的解决方案。
环氧树脂的高粘度阻碍了其完全渗透到MAO生成的微孔中，因此需要专门的表面处理来增强机械互锁。树脂预涂层（RPC）技术通过先涂覆丙酮稀释的环氧树脂再蒸发溶剂，已被证明能有效优化孔隙填充[39]、[40]。Kundu等人[41]展示了RPC技术在增强CFRP-Al 7075接头粘接强度方面的有效性，粘接强度提高了46.15%；Hang等人表明，使用最佳树脂浓度的预涂层可以改善混凝土表面修复并增强环氧砂浆粘接[42]。此外，Zhang等人[43]和Cheng等人[44]在类似处理条件下，分别使金属-CFRP接头的粘接强度提高了53.6%和82.2%。这些综合研究结果表明，10 wt%的树脂浓度是最佳选择，既能保证在微孔尺度上的良好渗透性，又能形成足够且结构完整的树脂互锁网络。值得注意的是，当粘合剂渗透到准垂直通道并与预涂层的环氧树脂混合时，会在粘接界面形成独特的“镁/环氧连续铰链形（MECH）”结构，如图1所示。
本研究采用微弧氧化（MAO）技术在镁合金基材上制备了多孔MAO涂层。这种工程化的多孔结构为形成MECH提供了理想的表面条件，同时增强了机械互锁效果，显著提高了界面粘接强度。为了展示MAO在创建预定通道结构方面的卓越可控性，还采用了酸蚀刻处理作为对比方法。在优化树脂预涂层（RPC）表面处理工艺后，通过单层剪切测试系统评估了MA-CFRP接头的机械性能。此外，对不同表面处理方式的失效模式进行综合分析，深入了解了其背后的增强机制。
原材料和制造设备
MA-CFRP复合材料的原材料主要包括镁合金（MA）、碳纤维增强聚合物（CFRP）、环氧树脂、固化剂和丙酮，具体信息见表1。我们使用20 A单极微弧氧化电源处理MA表面，使用研磨机处理CFRP，并使用超声波清洗机。丙酮作为环氧树脂的分散剂，有助于制备RPC溶液。MA和CFRP通过环氧树脂系统进行粘接
经过MAO处理的MA基材的表面形貌
图4显示了用不同电解液处理的MA表面的多孔形貌。可以清楚地观察到用不同电解液处理的样品上的近圆形孔隙以及孔隙边缘形成的微裂纹。MA及其氧化物在高温熔融状态下与低温电解液溶液接触时会产生过冷环境，导致快速固化并形成这些微裂纹。图4（a）至（f）展示了SEM图像
结论
本研究重点探讨了MAO处理对MA-CFRP混合结构粘接强度的增强机制。采用了六种电解液系统对MA表面进行蚀刻，以获得不同的形貌特征。此外，还对CFRP面板进行了研磨处理，以制备优化的粘接界面，从而便于对比分析MAO处理的效果。
未引用的参考文献
[50]。
CRediT作者贡献声明
黄文毅：撰写——原始草稿、方法论、研究。
程飞：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。
崔学军：验证、数据管理。
李忠：可视化、验证。
刘浩：验证。
鲍里斯·费杜洛夫：数据管理。
叶夫根尼·洛马金：可视化、验证。
胡晓志：监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国四川省自然科学基金（编号：2025HJRC0019、2025ZNSFSC1253、2025ZNSFSC0844）和西南科技大学研究生创新基金项目（编号：25ycx2005）的财政支持。作者感谢Scientific Compass（www.shiyanjia.com）在SEM分析方面提供的宝贵帮助。
