不同表面处理对粘接性能影响的研究进展

曲可心，李 岳，孙东洲，邢赟愽，吕 虎，于国良，孔宪志*

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.华东理工大学 化学化工与分子工程学院，上海 200237）

0 前 言

随着社会的不断发展，粘接技术被广泛应用于纸张、纤维等轻工业领域，在航空航天及船舶等方面占有重要地位。由于一些材料难以粘接，因此需要对其表面进行处理以达到粘接的目的。表面处理是利用物理、化学及材料学等学科的技术，既保持了基体材料的固有特征，同时也赋予零部件表面所要求的各种性能，从而适应不同技术和应用环境，其在粘接过程中起着重要的作用[1-6]，如果处理得当，可以提高粘接强度。它的种类很多，例如表面处理可以是表面锻炼或热化学表面处理等传统处理方式，也可以是离子注入、离子镀、等离子体表面处理及激光表面处理等现代表面处理方法[7-9]。对于不同要求的材料需要根据其具体条件选择合适的表面处理方法。本文将从各个表面的处理方法及处理后的性能改变等方面介绍。

1 机械法与物理法表面处理

1.1 喷砂法

作为一种机械的表面处理法，喷砂处理已经被证明是可以通过改变表面的粗糙度，如钛[10]、氧化锆[11]和聚合物[12]等来改善生物材料的相容性。目的是去除表面油污以及氧化膜，提高表面粗糙度[13~14]，提高工件的抗疲劳性，增加了其与涂层之间的粘接性能[15]。

Safari A 等[16]研究了不同制备工艺（如抛丸、喷砂等）获得的表面粗糙度及其对单搭接接头抗剪强度的影响，对处理后的试片使用两种环氧胶粘剂进行粘接。结果表明，在喷砂压力为0.6 MPa，表面粗糙度为0.6 μm 时，两种胶粘剂的抗剪强度均达到最大值，分别为14.85 MPa 和5.46 MPa。

Tan B 等[17]通过喷砂和底涂联合的方法来提高碳纤维增强聚合物和铝合金之间的结合力，与未表面处理相比，此种复合方法有效地将剪切强度提高了170.2%以上。

Rudawska A 等[18]研究了喷砂工艺参数作为表面处理方法对铝合金板材单搭接接头强度的影响，可变因素为压力、喷嘴距离和工件位移速度。结果表明，喷砂压力为5~6×105Pa 时，试件的粘接接头剪切强度最高，喷嘴与喷砂表面之间的距离不应大于97 mm，工件相对于喷管移动的速度不应大于75 mm/min。

1.2 激光法

激光表面处理就是通过改变激光参数，达到解决不同情况下的表面处理工艺问题的手段。其优点在于：操作时间短，且材料形状改变小；能够处理表面形状各异的工件；处理中不接触工件表面[19]；可大幅度提高工件表面性能[20-21]。

Akman E 等[22]采用两种不同波长（紫外光355 nm，红外光10 600 nm）和脉冲时间（4.4 ns 和5 μs）的激光对树脂基碳纤维增强复合材料（CFRP）进行表面处理来提高CFRP 粘接接头的搭接剪切强度。结果表明，最优参数为：（1）CO2激光器：功率为2 W，重复频率为5kHz，脉冲持续时间为5 μs，扫描速度为200 mm/s;（2）紫外激光器：20 mJ 脉冲能量，20 Hz重复频率，4.4 ns 脉冲持续时间和15 mm/s 扫描速度。

Xie Y X[23]采用固体脉冲激光对CFRP 板材进行两步激光表面处理以提高粘接强度。最佳工艺参数为150 μm 凹槽距离，6 次再加工和0/90 °凹槽。与光滑的CFRP 相比，这些带凹槽的CFRP 粘接接头的剪切强度提高了40.8%。

Wang Z 等[24]对铝合金进行激光表面改性从而提高PEEK/铝合金的粘接强度，将铝合金用2400粒度SiC 纸进行打磨抛光，在常压空气中使用Nd:YAG 激光对铝合金进行加工，处理后分别用酒精和蒸馏水超声波清洗15 min。实验结果表明，激光处理后的试件的拉伸剪切强度最大可达48.14 MPa。

Lim S J 等[25]对环氧基CFRP 和聚酰胺6 基CFRTP 表面进行激光处理，通过改变激光功率对未处理及处理后的试件进行抗剪强度测试。结果表明，未处理CFRP 抗剪强度为19.6 MPa，在11.25 W激光功率下抗剪强度达到最大值37.5 MPa，提高了92%。未处理的CFRTP 抗剪强度为10.3 MPa，经7.5 W 激光表面处理后，CFRTP 的抗剪强度达到25.5 MPa，提高了150%。

2 化学法表面处理

2.1 磷化法

磷化法的原理是化学转化膜处理，用于金属表面预处理。在这种类型的涂层下，覆盖材料的整个表面，给基体增加保护，提高抗腐蚀和表面电阻性能[26-27]。此外，磷酸盐表面还表现出其他的优异特性，例如润滑作用。

Zhang X 等[28]采用SiC 砂纸（120 #、1000 # 和2 000 #）对镁合金进行打磨，后用丙酮脱脂及碱性和酸性溶液蚀刻，最后用去离子水冲洗所有试片，再用磷化溶液处理。结果表明，磷化后的镁合金抗拉强度对比未处理镁合金抗拉强度（直接粘接和间接粘接）提高了15%和30%，达到了270 MPa 和320 MPa。

Wang Y[29]将烧结钕铁硼磁铁合金（M35）用SiC砂纸抛光，然后用乙醇漂洗干燥，在常温下与空气接触的非搅拌溶液中磷化15 min，最后进行镀镍。结果表明，未磷化试片黏附强度为2.33 MPa，磷化后涂层黏附强度达到9.3 MPa，提高了299.14%。

2.2 阳极氧化法

阳极氧化法是一种比较常见的表面处理技术，特别是针对铝合金的结构。其目的是提高耐腐蚀和耐磨性能以及粘接性能。目前阳极氧化膜的制备与性能已被广泛研究[30~32]。

Wu X S 等[33]在不同电压和时间下采用了阳极氧化法制备不同结构的TiO2纳米管涂层，将骨板材料用不同粗糙度的SiC 砂纸抛光，浸入到氢氟酸-硝酸混合溶液中30 s，将板材依次用无水乙醇、丙酮和去离子水超声波清洗20 min，烘干，在电压40~80 V和氧化时间2~6 h 下进行阳极氧化。结果表明，氧化电压为60 V，氧化时间为6 h 时为最佳工艺参数，涂层与基体的结合力增强，最大为12.10±0.50 N。

Rudawska A 等[34]采用碱性脱脂、阳极氧化、振动喷丸和阳极氧化后振动喷丸表面处理方法探究其对钛合金板材粘接强度的影响。结果表明，阳极氧化后振动喷丸处理的试样剪切强度最高为18.10 MPa，比单纯阳极氧化处理的粘接接头剪切强度提高28%。

Wu X T 等[35]研究表面预处理和粘接强度对金属纤维层压板界面的影响，通过砂纸打磨和阳极氧化（磷酸阳极氧化、硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化和草酸阳极氧化）处理铝基板，结果表明，磷酸阳极氧化处理后的剪切强度最优为23.1 MPa，而经过阳极氧化后的试样剪切强度比砂纸打磨后的试样强度提高了30%。

2.3 等离子体法

等离子体是世界上除了固、液、气态以外的第四种状态[36-38]。近十几年来，其被广泛用于改变金属材料的表面特性[39-43]。而低温等离子体处理主要用于胶接方面，能提高表面润湿性，减少界面缺陷；清洁表面污染杂质；能活化表面，增强界面粘接作用；适用于形状各异的材料，具有普遍适用性[44]；不会对材料表面造成二次污染等，因此引起了科研工作者的广泛关注，并对此进行了研究[45-47]。

Sun C C 等[48]采用常压等离子体处理法（工作气体：空气，气体流量：30 L/min）对CFRP 基体表面进行处理，研究等离子体喷嘴距离与速度对粘接接头的影响。结果表明，经等离子体处理后，CFRP 粘接接头的搭剪强度由8.6 MPa 提高到31.6 MPa。

Lin Y Y 等[49]对比了磷酸阳极氧化处理与等离子体（工艺参数：功率5000 W，温度40 ℃，工作真空30 Pa，处理时间10~15 min，工作气体为氮气或氧气）表面处理方法，试验结果表明，虽然两种方法都可以使铝合金表面粗糙，但经等离子体处理后的平均剥离强度、层间剪切强度和复合材料的抗弯强度分别是磷酸阳极氧化后的2.4 倍、1.6 倍和1.4 倍。

Zheng X W 等[50]采用磷化、阳极氧化和等离子体电解氧化（PEO）以及砂纸打磨的表面处理方法处理WE43 镁合金板材表面。结果表明，前三种表面处理工艺使WE43 镁合金的剪切强度比砂纸打磨工艺分别提高了46%、61%和116%，其中经PEO 处理的试样拉伸剪切强度最高，为11.64 MPa。

1.4 硅烷偶联剂处理法

硅烷化处理法是以有机硅烷水解产物为主要成分对材料进行表面处理。近年来，各种硅烷偶联剂被开发出来以促进无机填料与聚合物基体之间的界面黏附[51-53]，硅烷偶联剂的双官能团可以分别与填料和基体发生反应，形成化学桥梁，提高填料和基体之间的界面附着力[54-55]。

Liu W H 等[56]将桦木表面用400 目砂纸抛光，之后采用三种硅烷偶联剂（KH570、KH151 和KH560）对桦树表面进行处理，以提高UV 涂层的表面粘接性能。经粘接强度测试分析，未处理试件粘接强度为1.3 MPa，经KH570、KH151 和KH560 处理后的UV 涂层与木材表面粘接强度分别提高到5.91 MPa、5.42 MPa 和1.88 MPa。

Wang W R 等[57]为了改变钢与环氧胶粘剂之间的界面强度，采用硅烷和聚乙烯醇吡咯烷酮将碳纳米管在乙醇-水的混合物中进行改性，将改性后的纳米管悬浮液浸涂或喷涂的钢板进行单搭接实验。与对照组样品相比，改性后的钢表面界面剪切强度提高了52.8%。

3 结 语

综合不同材料的各种表面处理方法和研究结果来看，不同的表面处理方法对不同材料的粘接性能有所不同，为提高材料的粘接强度，应选取适合自身特性的表面处理方法。近年来，有关表面处理技术的研究日益增多，新的表面处理技术不断涌现，大大地改善了其使用性能和应用领域。

表面处理是提高粘接性能的重要方法之一，但目前关于表面处理的技术研究多倾向于单一体系，而单一的处理方法通常不能胜任复杂的工作环境对材料表面的要求，因此，开发多种协同表面处理技术及其性能研究将是表面处理技术今后的主要方向之一。除此之外，协同表面处理技术也能发挥各自技术的优势，取长补短，成为各材料表面改性研究的重要内容。