摘 要：CFRP/TC4異質(zhì)材料黏結(jié)界面主要由金屬表面、黏結(jié)劑以及復(fù)合材料表面組成，該界面是異質(zhì)材料融合構(gòu)件的核心部位，其界面黏結(jié)強度的優(yōu)劣，對該類異質(zhì)材料融合構(gòu)件的長壽命和高可靠性會產(chǎn)生顯著影響。本文主要針對TC4金屬表面微結(jié)構(gòu)對界面黏結(jié)強度的影響進行研究，基于Abaqus建立剪切力作用下的重疊黏結(jié)有限元模型，確定優(yōu)選后的三角形結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為寬度、高度以及開槽方向與剪切受力方向之間的夾角，進而采用響應(yīng)面Box-behnken法設(shè)計仿真試驗并建立金屬表面微結(jié)構(gòu)與界面切應(yīng)力之間的映射模型，并基于方差分析驗證了該模型的有效性。通過該研究，揭示了金屬表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對界面切應(yīng)力的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：異質(zhì)界面黏結(jié)； 復(fù)合材料； 金屬材料； 表面微結(jié)構(gòu)

中圖分類號：V263 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.006

基金項目： 航空科學(xué)基金（2020Z045053001）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃（2023-JC-YB-431）；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃（23JP124）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（220906280183841）；西安明德理工學(xué)院科研基金（2022XY02L04）；西安明德理工學(xué)院教育教學(xué)改革研究資助項目（JG2022ZD03）；浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點項目（AF2023Z01）

風(fēng)扇葉片是航空發(fā)動機的核心部件之一，減輕風(fēng)扇端重量（質(zhì)量）是提高發(fā)動機推重比及降低耗油率的關(guān)鍵手段[1]。碳纖維增強樹脂基（CFRP）復(fù)合材料葉片是風(fēng)扇葉片減重的一種主要結(jié)構(gòu)形式，主要由復(fù)合材料葉身與金屬骨架組成[2-3]。其中，膠結(jié)方法一般適用于傳遞均布載荷或承受剪切載荷的部位，復(fù)合材料葉身與金屬骨架多采用膠結(jié)方式進行連接[4-6]。CFRP/金屬異質(zhì)材料融合界面黏結(jié)強度的優(yōu)劣，對該類CFRP/金屬異質(zhì)材料融合構(gòu)件的長壽命和高可靠性產(chǎn)生顯著影響[7-9]。因此，如何精準可靠地預(yù)測與控制CFRP/金屬異質(zhì)材料融合界面黏結(jié)強度，引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的共同關(guān)注。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對CFRP/金屬異質(zhì)材料融合構(gòu)件界面黏結(jié)機理進行大量研究，異質(zhì)黏結(jié)界面主要包括金屬表面、黏結(jié)劑與復(fù)材表面。其中，金屬表面與黏結(jié)劑的黏結(jié)質(zhì)量是影響異質(zhì)材料融合界面黏結(jié)質(zhì)量的主要因素之一，對光滑的金屬表面進行預(yù)處理，改變金屬表面粗糙度與表面形貌，進而擴大接觸面積來促進接觸表面形成機械互鎖，提高異質(zhì)材料融合的界面黏結(jié)強度。張功達等[10]采用拉伸剪切試驗、界面以及斷面微觀觀測等方式，探究了微結(jié)構(gòu)參數(shù)對焊接金屬與塑料焊接接頭強度的影響機制，結(jié)果表明，接頭強度與微結(jié)構(gòu)的填充效果，以及連接面積有關(guān)，隨著微結(jié)構(gòu)尺寸的增加，接頭強度增加。肖馮等[11]研究得出，表面粗化程度及其均勻度越好，得到的膠結(jié)接頭強度及耐久性越好。劉元海等[12]指出采用原位磷酸陽極化工藝處理的鋁合金結(jié)構(gòu)表面膜層中的氧含量較高，陽極化膜層較厚，體現(xiàn)了優(yōu)良的抗腐蝕性和耐久性。Lambiase等[13]在研究鈦合金與聚醚醚酮摩擦輔助連接工藝過程中，在鈦板上進行了激光紋理化處理，以促進基材之間的機械連接，繼而通過準靜態(tài)單搭接剪切試驗驗證了融合界面黏結(jié)強度得到顯著提高。Rodríguez等[14]通過鋼表面激光輻射進行結(jié)構(gòu)化處理，以實現(xiàn)金屬表面與聚合物表面黏結(jié)時的機械互鎖，通過拉伸剪切試驗得出，接觸表面微幾何結(jié)構(gòu)的長寬比對黏結(jié)界面破壞模式具有顯著影響。Boon等[15]研究了噴砂和不同開槽表面處理方法對碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與鋁之間的黏結(jié)影響，并通過機械測試結(jié)果與有限元模擬結(jié)合，分析了界面的破壞和損壞機理。Genna等[16]研究得出，金屬表面激光預(yù)處理可擴大異質(zhì)材料黏結(jié)面積并顯著提高接頭強度，在最佳條件下，其強度是參考樣品的兩倍以上。

從現(xiàn)有研究來看，國內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料/金屬異質(zhì)材料融合界面黏結(jié)機理研究主要集中在通過化學(xué)工藝過程進行金屬表面預(yù)處理等方面的研究。針對金屬表面微觀結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料/金屬異質(zhì)材料融合界面黏結(jié)強度的影響機理方面的研究較少。因此，本文針對金屬表面微結(jié)構(gòu)對界面黏結(jié)的影響進行研究，基于剪切力作用下的重疊黏結(jié)有限元模型對金屬表面微結(jié)構(gòu)進行優(yōu)選。隨后針對優(yōu)選后的三角形結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化，并建立金屬表面微結(jié)構(gòu)與界面剪切應(yīng)力之間的映射模型，揭示表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對界面切應(yīng)力的耦合影響規(guī)律。

1 重疊黏結(jié)有限元建模與金屬表面微結(jié)構(gòu)優(yōu)選

1.1 剪切載荷作用下重疊黏結(jié)有限元建模

針對CFRP復(fù)合材料與TC4鈦合金重疊黏結(jié)的剪切強度標準試驗進行有限元建模，該重疊剪切試驗樣件為：CFRP復(fù)合材料與TC4鈦合金板材寬2.54cm、長1.27cm、厚0.16cm，AF555M膠膜厚度為0.33mm。

為獲得其切應(yīng)力分布，本節(jié)采用有限元法進行分析。由于本文主要針對金屬表面微結(jié)構(gòu)與膠膜表面的機械互鎖對界面黏結(jié)的影響進行研究，因此假設(shè)復(fù)合材料CFRP板與膠膜均質(zhì)，金屬表面與黏結(jié)劑表面以及黏結(jié)劑表面與復(fù)合材料表面均為綁定接觸，且為單向鋪層縱向受力。CFRP復(fù)材、鈦合金與AF555M膠膜材料屬性見表1。網(wǎng)格類型為C3D8R，網(wǎng)格尺寸為0.003mm，下層金屬左側(cè)面全約束，上下金屬在剪切力垂直方向約束，接觸界面承受最大剪切力為40MPa，換算后在上層金屬右側(cè)面施加12.9kN。試件所受切應(yīng)力如圖1所示。

1.2 金屬表面微結(jié)構(gòu)優(yōu)選

金屬表面凸起結(jié)構(gòu)，能夠進一步增大黏結(jié)劑與金屬的結(jié)合面積，從而對異質(zhì)材料融合結(jié)構(gòu)界面剪切強度起到一定的積極作用。針對常見的凸起結(jié)構(gòu)進行三維建模，主要包括連續(xù)以及帶有間隔的三角形、梯形、圓弧表面結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

基于重疊黏結(jié)界面剪切有限元模型，樣件、材料屬性等參數(shù)與1.1節(jié)中的模型保持一致，對剪切載荷作用下不同金屬表面微結(jié)構(gòu)的重疊黏結(jié)模型進行有限元分析。不同金屬表面微結(jié)構(gòu)時黏結(jié)劑所受剪切應(yīng)力，如圖3所示。不同金屬表面微結(jié)構(gòu)時黏結(jié)劑應(yīng)力，見表2。

由圖3與表2得出，不同金屬表面微結(jié)構(gòu)時黏結(jié)劑所受應(yīng)力，三角形<梯形<圓弧<平面；與此同時，隨著各金屬表面微結(jié)構(gòu)的加入間隔后，三角形和梯形表面黏結(jié)劑所承受的應(yīng)力呈上升趨勢，圓弧表面呈下降趨勢，且梯形表面黏結(jié)劑所承受的應(yīng)力顯著增大。由于三角形表面黏結(jié)劑所有應(yīng)力最小，進而選擇三角形作為異質(zhì)材料融合構(gòu)件金屬表面微結(jié)構(gòu)特征。

2 金屬表面微結(jié)構(gòu)與界面切應(yīng)力的映射模型

2.1 分析過程規(guī)劃

針對三角形金屬表面微結(jié)構(gòu)形式，選定對界面剪切作用影響最為核心的三個參數(shù)為金屬表面微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括三角形的寬度w、高度h以及開槽方向與剪切受力方向之間的夾角α，如圖4所示。

為獲得合理的映射模型所需的邊界區(qū)域，需要確定金屬表面微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的待選區(qū)間。當三角形高度過高時，金屬表面微結(jié)構(gòu)尖端會刺破黏結(jié)劑而直接接觸復(fù)合材料表面，使得兩種異質(zhì)材料無法有效黏結(jié)；而三角形高度過低時，無法有效增加金屬表面與黏結(jié)劑的接觸面積，因此三角形高度的參數(shù)區(qū)間設(shè)為1～12μm。當三角形寬度過小時，金屬表面凹槽過深不利于黏結(jié)劑充分填滿凹槽與金屬有效接觸；當三角形寬度過大時，金屬表面單位面積上分布的凸起過少，從而不能有效增大黏結(jié)劑與金屬表面的接觸，因此三角形寬度的參數(shù)區(qū)間設(shè)為8 ～24μm。凸起槽與剪切受力方向的傾斜角度，直接影響?zhàn)そY(jié)劑與金屬表面的摩擦力，進而影響界面剪切強度，因此傾斜角度設(shè)定為0°～90°。

基于金屬表面微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的待選區(qū)間，采用面向三因素三水平試驗系統(tǒng)Box-behnken設(shè)計方法規(guī)劃界面剪切試驗的參數(shù)組合，見表3。

基于重疊黏結(jié)界面剪切有限元模型，對剪切載荷作用下不同金屬表面微結(jié)構(gòu)的重疊黏結(jié)模型進行有限元分析。重疊剪切樣件保持與1.1節(jié)的模型一致，對各參數(shù)組合進行重疊剪切有限元仿真試驗，獲得相應(yīng)的界面切應(yīng)力，見表4。

2.2 金屬表面微結(jié)構(gòu)與界面切應(yīng)力映射模型建立與分析

采用試驗分析處理工具Design Expert v8.0對各組參數(shù)對應(yīng)的界面切應(yīng)力結(jié)果進行多元二次函數(shù)擬合，從而獲得界面切應(yīng)力對金屬表面微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的映射模型，如式（1）所示

為了驗證所得仿真試驗數(shù)據(jù)的可靠性和回歸模型的顯著性，分別采用方差分析、殘差分析及實際值與預(yù)測值對比，驗證式（1）所示界面切應(yīng)力對金屬表面微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的映射模型的準確性。由Design expert中的分析工具可獲得映射模型的方差分析結(jié)果，見表5。

根據(jù)映射模型方差分析（ANOVA）結(jié)果，擬合所獲得的映射模型F校驗值為11.17，P校驗值小于<0.05，說明此模型中值與回歸方程的關(guān)系顯著。從表5中得出，擬合的映射關(guān)系準確，能夠作為界面切應(yīng)力的映射模型，且誤差較小[17]。同時，從表5中可以看出，界面剪切應(yīng)力對高度最為敏感。

采用概率分布圖及散點圖分析界面切應(yīng)力與金屬表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)映射模型的殘差分布情況。界面切應(yīng)力殘差分布如圖5所示，殘差如圖6所示。

依據(jù)殘差正態(tài)概率分布圖，各點形成近似為一條直線，殘差落入界面切應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的頻率與標準正態(tài)分布概率基本一致。同時，殘差圖所顯示的各點分散且無特定分布規(guī)律，因此說明仿真試驗數(shù)據(jù)服從常態(tài)分布，且無異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。模型預(yù)測值與實際仿真試驗值對比如圖7所示，預(yù)測值與實際值結(jié)果基本吻合，進一步驗證了該二次回歸模型的準確性。

綜上所述，依據(jù)響應(yīng)面法取得的界面切應(yīng)力與金屬表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)映射模型準確，擬合誤差低。

3 金屬表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對界面切應(yīng)力的影響規(guī)律

3.1 高度與傾斜角度耦合對界面切應(yīng)力的影響

金屬表面微結(jié)構(gòu)凸起高度與傾斜角度耦合作用對界面切應(yīng)力影響的響應(yīng)面，如圖8所示。

由圖8可知，在傾斜角度接近0°時，金屬表面凸起與界面剪切力方向近于平行，僅靠黏結(jié)劑與被黏表面的黏結(jié)作用承受剪切力，不利于進一步降低黏結(jié)劑承受的界面剪切應(yīng)力。隨著傾斜角度的逐漸增大，金屬表面凸起與界面剪切力方向逐漸接近垂直，界面黏結(jié)作用與凸起共同承受剪切力，黏結(jié)劑所承受的界面剪切應(yīng)力逐漸降低，進而黏結(jié)界面承受的界面剪切強度逐漸升高。在傾斜角度適宜的情況下，金屬表面凸起高度過小，不利于凸起部分承受切應(yīng)力。而過高的凸起，雖能提高凸起部分微結(jié)構(gòu)承受的切應(yīng)力，但會增加自身的應(yīng)力集中，過程中進而增大黏結(jié)劑承受的界面切應(yīng)力，降低構(gòu)件能夠承受的界面剪切強度。

3.2 寬度與傾斜角度耦合對界面切應(yīng)力的影響

金屬表面微結(jié)構(gòu)凸起寬度與傾斜角度耦合作用對界面切應(yīng)力影響的響應(yīng)面，如圖9所示。

由圖9可知，在適宜的傾斜角度下，較大的金屬表面微結(jié)構(gòu)凸起寬度會減小單位長度上分布的凸起數(shù)量，從而影響單位長度上能夠分擔(dān)界面剪切力的凸起數(shù)量，增大黏結(jié)劑承受的界面切應(yīng)力，進而減小構(gòu)件所能承受的界面剪切強度。隨著凸起寬度的減小，單位長度分布的凸起數(shù)量逐漸增加，黏結(jié)劑承受的界面切應(yīng)力逐漸降低，構(gòu)件能夠承受的界面剪切強度逐漸增大。

3.3 寬度與高度耦合對界面切應(yīng)力的影響

金屬表面微結(jié)構(gòu)凸起寬度與高度耦合作用對界面切應(yīng)力影響的響應(yīng)面，如圖10所示。

由圖10可知，在金屬表面微結(jié)構(gòu)凸起高度較高、寬度較小的情況下，黏結(jié)劑承受的界面切應(yīng)力逐漸減小，進而構(gòu)件所能承受的界面剪切強度逐漸增高。隨著凸起高度逐漸降低，凸起寬度逐漸增大，單位面積分布的凸起數(shù)量逐漸減小，每個凸起承受的界面剪切力也在逐漸減小，進而界面切應(yīng)力逐漸增大，最終構(gòu)件能承受的界面剪切強度逐漸減低。

4 結(jié)論

針對膠結(jié)成形CFRP/金屬異質(zhì)材料融合構(gòu)件，本文針對金屬表面微結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選，并對優(yōu)選后的三角形結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化，進而設(shè)計仿真試驗并建立金屬表面微結(jié)構(gòu)與界面切應(yīng)力之間的映射模型，最終揭示了表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對界面切應(yīng)力的耦合影響規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）通過對基于AF555M膠膜的重疊黏結(jié)CFRP/金屬剪切強度試驗進行分析，基于Abaqus建立剪切力作用下的重疊黏結(jié)有限元模型。并分析了不同金屬表面微結(jié)構(gòu)時黏結(jié)劑所受應(yīng)力，結(jié)果顯示三角形<梯形<圓弧<平面。

（2）針對優(yōu)選的三角形金屬表面微結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化，并采用Box-behnken設(shè)計方法規(guī)劃界面剪切試驗的參數(shù)組合。分析仿真試驗結(jié)果從而獲得界面切應(yīng)力對金屬表面微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的映射模型，通過方差分析驗證了該二次回歸模型的準確性，并得出界面切應(yīng)力對高度最為敏感。

（3）通過對三角形凸起的金屬表面微結(jié)構(gòu)形式對界面切應(yīng)力的仿真試驗結(jié)果進行分析，揭示了三角形金屬表面微結(jié)構(gòu)的寬度w、高度h以及開槽方向與剪切受力方向之間的夾角α三參數(shù)對界面切應(yīng)力的耦合影響規(guī)律。

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The Influence Analysis of Metal Surface Microstructure on CFRP/TC4 Interfacial Bonding Strength

Zhao Pan1，2， Shi Kaining1， Shi Yaoyao1， Zhou Fei3

1. Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine， Ministry of Industry and Information Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

2. Xi’an Mingde Institute of Technology， Xi’an 710124， China

3. Zhejiang Institute of Security Technology， Wenzhou 325016， China

Abstract： The bonding interface of CFRP/TC4 heterogeneous material is mainly composed of metal surface， binder and composite material surface. The interface is the core part of the heterogeneous material fusion component. The quality of the interface bonding strength will have a significant impact on the long life and high reliability of the heterogeneous material fusion component. In this paper， the influence of TC4 metal surface microstructure on interface bonding strength is studied. Based on Abaqus， the finite element model of overlapping bonding under shear force is established. The main parameters of the optimized triangular structure are determined to be width， height and the angle between the groove direction and the shear force direction. Then， the response surface Box-behnken method is used to design the simulation test and establish the mapping model between the metal surface microstructure and the interface shear stress， and the validity of the model is verified based on variance analysis. Through this study， the effect of metal surface microstructure parameters on interfacial shear stress is revealed.

Key Words： heterogeneous interface bonding； composite； metal materials； surface microstructure