碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composite, CFRTP)具备韧性好、抗蚀性优良、耐热性能佳、损伤容限性能卓越、可回收与可焊接等诸多优异特性，在航空领域中备受关注，已经被应用于先进飞行器的发动机叶片和机翼。此外，铝合金凭借其低密度、高比强度、高电导率、高热导率以及优良的耐蚀性等优异特性，在未来相当长时间内依然会是航空飞行器的重要结构材料。由此，在航空飞行器的生产制造环节中，不可避免地需要将CFRTP与周围铝合金构件进行连接。然而，由于这两种材料在物理和化学性能上的巨大差异，实现高质量的铝合金/CFRTP高质连接仍然是一个挑战。
近期，南京航空航天大学材料学院占小红教授研究团队联合锐科激光团队在复合材料领域顶刊《Composites Part B: Engineering》（IF=13.1）上发表了题为“Enhanced interfacial joining strength of laser wobble joined 6061-T6 Al alloy/CFRTP joint via interfacial bionic textures pre-construction”研究论文。该研究提出通过激光预处理制备新型仿生微结构（鱼骨状和珍珠层状），实现了6061铝合金和CFRTP的高质量激光连接，揭示了所提出的仿生微结构对6061/CFRTP复合接头断裂行为的影响。论文的第一作者为卜珩倡博士，通讯作者为南京航空航天大学占小红教授。
该研究提出通过激光预处理制备新型仿生微结构（鱼骨状和珍珠层状），实现了6061铝合金和CFRTP的高质量激光连接。通过系统的实验和有限元分析，揭示了所提出的仿生微结构对6061/CFRTP复合接头界面形态和断裂行为的影响。结果表明，与传统微结构（凹槽状和圆形）相比，具有新型仿生微结构的复合接头的强度和韧性都有明显提高。这种强化作用主要归因于界面应力集中缓解和裂纹的偏转行为。此外，发现了一种非对称的断裂形式（在微结构一侧发生界面破坏，在微结构另一侧发生树脂内聚破坏），这种断裂行为和界面处非对称的应力演化密切相关。
仿生微结构加工
整个实验过程基本上包括激光微结构预处理和激光摆动连接过程，采用红外纳秒激光在铝合金表面制备微结构。微结构形状包括凹槽状、圆形、以及仿生结构（鱼骨状和珍珠层状）等形状。为使得界面温度分布更加均匀，采用摆动激光连接CFRTP和6061Al搭接结构（图1，图2）。
图1. 激光制备仿生微结构和激光摆动连接示意图
图2. 不同刻蚀微结构的形貌
界面形貌分析
分析了不同微结构下的界面形貌特征，定量研究了孔隙的等效半径、数量、圆度和分布特征，采用分形维数描述孔隙几何形状的复杂性。发现未处理界面和具有珍珠层状微结构的界面具有较少的孔隙（图3）。
图3. 不同微结构对应的复合接头界面形貌特征：（a-e）界面形态；（f） 等效半径Re和界面孔隙数量；（g-i）孔隙等效半径Re和周长Pe之间的关系（线的斜率表示孔隙的分形维数，表示几何形状的复杂程度）；（j） 孔隙质心高度Dy（表示孔隙质心与下界面之间的距离）与圆度R之间的关系。
力学性能
与具有普通界面微结构（凹槽状和圆形）的复合接头相比，鱼骨状和珍珠层状微结构的复合接头具有显著更高的拉伸剪切强度和韧性（图4）。
图4. 具有不同界面结构的CFRTP/6061复合接头的力学性能对比
断口形貌
分析不同微结构对应的断口可以发现，断口形貌呈现鲜明的非对称特征，在微结构的一侧呈现树脂内聚破坏（裂纹在树脂内部扩展），在微结构的另一侧呈现界面破坏（裂纹在铝合金和复合材料的界面处扩展，表现为间隙）。此外，仿生微结构断口形貌有明显的裂纹偏转现象（图5，图6）。
图5. 圆孔微结构对应的断口形貌
图6. 鱼骨微结构对应的断口形貌
应力计算
通过有限元仿真发现，发现珍珠层状仿生结构对应的应力集中程度最轻，较小的应力集中程度延迟了裂纹的萌生，有助于提升复合接头的强度（图7）。
图7. 不同界面结构的应力场模拟结果
断裂机制分析
采用相场法分析裂纹扩展过程，发现了非对称的裂纹扩展模式，裂纹在微结构的一侧沿树脂内部扩展（内聚破坏），在微结构的另一侧沿着界面扩展（界面破坏），这种非对称的裂纹扩展形式与试验结果相符（图8）。
综合试验与仿真结果，得出仿生微结构强化复合接头性能的机理为应力集中的缓解和裂纹的偏转。在力学性能测试过程中，存在两种形式的裂纹：沿树脂内部传播的裂纹（裂纹I，内聚失效）和沿着界面传播的界面裂纹（裂纹II，界面失效），抑制界面裂纹（裂纹II）的萌生和扩展对提高接头强度具有积极作用（图9）。
图8. 裂纹扩展过程应力分布
图9. 混合接头的界面失效机理：（a）界面力分布分析；（b） 裂纹萌生示意图；（c） 裂纹扩展模式，模式III主要表现为界面失效，导致连接强度降低；（d） 界面仿生结构的强化机理
（1） 与普通圆形微结构相比，鱼骨状微结构和珍珠层状微结构的接头强度分别提高了170.8%和147%。此外，这两种织构的接头韧性也分别显著提高了267.2%和223.5%。
（2） 复合接头的断裂机理为混合失效，包括界面失效和内聚失效。圆形、鱼骨状和珍珠层状微结构对应的特殊断裂形态表现出相同的非对称特征：微结构一侧有线性或新月形间隙（界面失效），另一侧周围有光滑或粗糙的树脂断裂形态（内聚失效）。在力学性能测试过程中，存在沿树脂内部传播的裂纹（裂纹I，内聚失效）和沿着界面传播的界面裂纹（裂纹II，界面失效）。抑制界面裂纹（裂纹II）的萌生和扩展对提高接头强度具有积极作用。
（3） 鱼骨状和珍珠层状微结构对应复合接头的优越性能可归因于两个因素。第一个因素是应力均匀化效应，这归因于微结构引起的界面应力重新分布。第二个因素是界面裂纹的偏转行为，这归因于微结构对界面裂纹的阻挡作用。同时，鱼骨状微结构的几何特征降低了界面剥离力，从而导致界面裂纹的萌生抑制，最终提升了焊接接头强度。
第一作者：卜珩倡，博士研究生。从事热塑性复合材料成形、焊接、再制造等相关研究，在《Composites Part B: Engineering》等期刊发表SCI论文5篇，申请发明专利5项，参与国家级项目3项。
通讯作者：占小红，工学博士，教授/博导，国家重大人才工程计划入选者，南京航空航天大学人事处副处长、高级人才办公室副主任,南航激光焊接与再制造技术研究所负责人。主要从事激光焊接、先进连接、增材制造与再制造相关研究。获省部级科学技术奖励3项，发表SCI论文150余篇，获授权发明专利70余项，参与起草国家标准2项。