曲可心，李 岳，孫東洲，邢赟愽，呂 虎，于國良，孔憲志*

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.華東理工大學(xué) 化學(xué)化工與分子工程學(xué)院，上海 200237）

0 前 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，粘接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于紙張、纖維等輕工業(yè)領(lǐng)域，在航空航天及船舶等方面占有重要地位。由于一些材料難以粘接，因此需要對其表面進(jìn)行處理以達(dá)到粘接的目的。表面處理是利用物理、化學(xué)及材料學(xué)等學(xué)科的技術(shù)，既保持了基體材料的固有特征，同時(shí)也賦予零部件表面所要求的各種性能，從而適應(yīng)不同技術(shù)和應(yīng)用環(huán)境，其在粘接過程中起著重要的作用[1-6]，如果處理得當(dāng)，可以提高粘接強(qiáng)度。它的種類很多，例如表面處理可以是表面鍛煉或熱化學(xué)表面處理等傳統(tǒng)處理方式，也可以是離子注入、離子鍍、等離子體表面處理及激光表面處理等現(xiàn)代表面處理方法[7-9]。對于不同要求的材料需要根據(jù)其具體條件選擇合適的表面處理方法。本文將從各個(gè)表面的處理方法及處理后的性能改變等方面介紹。

1 機(jī)械法與物理法表面處理

1.1 噴砂法

作為一種機(jī)械的表面處理法，噴砂處理已經(jīng)被證明是可以通過改變表面的粗糙度，如鈦[10]、氧化鋯[11]和聚合物[12]等來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]，提高工件的抗疲勞性，增加了其與涂層之間的粘接性能[15]。

Safari A 等[16]研究了不同制備工藝（如拋丸、噴砂等）獲得的表面粗糙度及其對單搭接接頭抗剪強(qiáng)度的影響，對處理后的試片使用兩種環(huán)氧膠粘劑進(jìn)行粘接。結(jié)果表明，在噴砂壓力為0.6 MPa，表面粗糙度為0.6 μm 時(shí)，兩種膠粘劑的抗剪強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為14.85 MPa 和5.46 MPa。

Tan B 等[17]通過噴砂和底涂聯(lián)合的方法來提高碳纖維增強(qiáng)聚合物和鋁合金之間的結(jié)合力，與未表面處理相比，此種復(fù)合方法有效地將剪切強(qiáng)度提高了170.2%以上。

Rudawska A 等[18]研究了噴砂工藝參數(shù)作為表面處理方法對鋁合金板材單搭接接頭強(qiáng)度的影響，可變因素為壓力、噴嘴距離和工件位移速度。結(jié)果表明，噴砂壓力為5~6×105Pa 時(shí)，試件的粘接接頭剪切強(qiáng)度最高，噴嘴與噴砂表面之間的距離不應(yīng)大于97 mm，工件相對于噴管移動(dòng)的速度不應(yīng)大于75 mm/min。

1.2 激光法

激光表面處理就是通過改變激光參數(shù)，達(dá)到解決不同情況下的表面處理工藝問題的手段。其優(yōu)點(diǎn)在于：操作時(shí)間短，且材料形狀改變??；能夠處理表面形狀各異的工件；處理中不接觸工件表面[19]；可大幅度提高工件表面性能[20-21]。

Akman E 等[22]采用兩種不同波長（紫外光355 nm，紅外光10 600 nm）和脈沖時(shí)間（4.4 ns 和5 μs）的激光對樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）進(jìn)行表面處理來提高CFRP 粘接接頭的搭接剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)為：（1）CO2激光器：功率為2 W，重復(fù)頻率為5kHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為5 μs，掃描速度為200 mm/s;（2）紫外激光器：20 mJ 脈沖能量，20 Hz重復(fù)頻率，4.4 ns 脈沖持續(xù)時(shí)間和15 mm/s 掃描速度。

Xie Y X[23]采用固體脈沖激光對CFRP 板材進(jìn)行兩步激光表面處理以提高粘接強(qiáng)度。最佳工藝參數(shù)為150 μm 凹槽距離，6 次再加工和0/90 °凹槽。與光滑的CFRP 相比，這些帶凹槽的CFRP 粘接接頭的剪切強(qiáng)度提高了40.8%。

Wang Z 等[24]對鋁合金進(jìn)行激光表面改性從而提高PEEK/鋁合金的粘接強(qiáng)度，將鋁合金用2400粒度SiC 紙進(jìn)行打磨拋光，在常壓空氣中使用Nd:YAG 激光對鋁合金進(jìn)行加工，處理后分別用酒精和蒸餾水超聲波清洗15 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光處理后的試件的拉伸剪切強(qiáng)度最大可達(dá)48.14 MPa。

Lim S J 等[25]對環(huán)氧基CFRP 和聚酰胺6 基CFRTP 表面進(jìn)行激光處理，通過改變激光功率對未處理及處理后的試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試。結(jié)果表明，未處理CFRP 抗剪強(qiáng)度為19.6 MPa，在11.25 W激光功率下抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值37.5 MPa，提高了92%。未處理的CFRTP 抗剪強(qiáng)度為10.3 MPa，經(jīng)7.5 W 激光表面處理后，CFRTP 的抗剪強(qiáng)度達(dá)到25.5 MPa，提高了150%。

2 化學(xué)法表面處理

2.1 磷化法

磷化法的原理是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理，用于金屬表面預(yù)處理。在這種類型的涂層下，覆蓋材料的整個(gè)表面，給基體增加保護(hù)，提高抗腐蝕和表面電阻性能[26-27]。此外，磷酸鹽表面還表現(xiàn)出其他的優(yōu)異特性，例如潤滑作用。

Zhang X 等[28]采用SiC 砂紙（120 #、1000 # 和2 000 #）對鎂合金進(jìn)行打磨，后用丙酮脫脂及堿性和酸性溶液蝕刻，最后用去離子水沖洗所有試片，再用磷化溶液處理。結(jié)果表明，磷化后的鎂合金抗拉強(qiáng)度對比未處理鎂合金抗拉強(qiáng)度（直接粘接和間接粘接）提高了15%和30%，達(dá)到了270 MPa 和320 MPa。

Wang Y[29]將燒結(jié)釹鐵硼磁鐵合金（M35）用SiC砂紙拋光，然后用乙醇漂洗干燥，在常溫下與空氣接觸的非攪拌溶液中磷化15 min，最后進(jìn)行鍍鎳。結(jié)果表明，未磷化試片黏附強(qiáng)度為2.33 MPa，磷化后涂層黏附強(qiáng)度達(dá)到9.3 MPa，提高了299.14%。

2.2 陽極氧化法

陽極氧化法是一種比較常見的表面處理技術(shù)，特別是針對鋁合金的結(jié)構(gòu)。其目的是提高耐腐蝕和耐磨性能以及粘接性能。目前陽極氧化膜的制備與性能已被廣泛研究[30~32]。

Wu X S 等[33]在不同電壓和時(shí)間下采用了陽極氧化法制備不同結(jié)構(gòu)的TiO2納米管涂層，將骨板材料用不同粗糙度的SiC 砂紙拋光，浸入到氫氟酸-硝酸混合溶液中30 s，將板材依次用無水乙醇、丙酮和去離子水超聲波清洗20 min，烘干，在電壓40~80 V和氧化時(shí)間2~6 h 下進(jìn)行陽極氧化。結(jié)果表明，氧化電壓為60 V，氧化時(shí)間為6 h 時(shí)為最佳工藝參數(shù)，涂層與基體的結(jié)合力增強(qiáng)，最大為12.10±0.50 N。

Rudawska A 等[34]采用堿性脫脂、陽極氧化、振動(dòng)噴丸和陽極氧化后振動(dòng)噴丸表面處理方法探究其對鈦合金板材粘接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，陽極氧化后振動(dòng)噴丸處理的試樣剪切強(qiáng)度最高為18.10 MPa，比單純陽極氧化處理的粘接接頭剪切強(qiáng)度提高28%。

Wu X T 等[35]研究表面預(yù)處理和粘接強(qiáng)度對金屬纖維層壓板界面的影響，通過砂紙打磨和陽極氧化（磷酸陽極氧化、硫酸陽極氧化、鉻酸陽極氧化和草酸陽極氧化）處理鋁基板，結(jié)果表明，磷酸陽極氧化處理后的剪切強(qiáng)度最優(yōu)為23.1 MPa，而經(jīng)過陽極氧化后的試樣剪切強(qiáng)度比砂紙打磨后的試樣強(qiáng)度提高了30%。

2.3 等離子體法

等離子體是世界上除了固、液、氣態(tài)以外的第四種狀態(tài)[36-38]。近十幾年來，其被廣泛用于改變金屬材料的表面特性[39-43]。而低溫等離子體處理主要用于膠接方面，能提高表面潤濕性，減少界面缺陷；清潔表面污染雜質(zhì)；能活化表面，增強(qiáng)界面粘接作用；適用于形狀各異的材料，具有普遍適用性[44]；不會(huì)對材料表面造成二次污染等，因此引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，并對此進(jìn)行了研究[45-47]。

Sun C C 等[48]采用常壓等離子體處理法（工作氣體：空氣，氣體流量：30 L/min）對CFRP 基體表面進(jìn)行處理，研究等離子體噴嘴距離與速度對粘接接頭的影響。結(jié)果表明，經(jīng)等離子體處理后，CFRP 粘接接頭的搭剪強(qiáng)度由8.6 MPa 提高到31.6 MPa。

Lin Y Y 等[49]對比了磷酸陽極氧化處理與等離子體（工藝參數(shù)：功率5000 W，溫度40 ℃，工作真空30 Pa，處理時(shí)間10~15 min，工作氣體為氮?dú)饣蜓鯕猓┍砻嫣幚矸椒?，試?yàn)結(jié)果表明，雖然兩種方法都可以使鋁合金表面粗糙，但經(jīng)等離子體處理后的平均剝離強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度分別是磷酸陽極氧化后的2.4 倍、1.6 倍和1.4 倍。

Zheng X W 等[50]采用磷化、陽極氧化和等離子體電解氧化（PEO）以及砂紙打磨的表面處理方法處理WE43 鎂合金板材表面。結(jié)果表明，前三種表面處理工藝使WE43 鎂合金的剪切強(qiáng)度比砂紙打磨工藝分別提高了46%、61%和116%，其中經(jīng)PEO 處理的試樣拉伸剪切強(qiáng)度最高，為11.64 MPa。

1.4 硅烷偶聯(lián)劑處理法

硅烷化處理法是以有機(jī)硅烷水解產(chǎn)物為主要成分對材料進(jìn)行表面處理。近年來，各種硅烷偶聯(lián)劑被開發(fā)出來以促進(jìn)無機(jī)填料與聚合物基體之間的界面黏附[51-53]，硅烷偶聯(lián)劑的雙官能團(tuán)可以分別與填料和基體發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)橋梁，提高填料和基體之間的界面附著力[54-55]。

Liu W H 等[56]將樺木表面用400 目砂紙拋光，之后采用三種硅烷偶聯(lián)劑（KH570、KH151 和KH560）對樺樹表面進(jìn)行處理，以提高UV 涂層的表面粘接性能。經(jīng)粘接強(qiáng)度測試分析，未處理試件粘接強(qiáng)度為1.3 MPa，經(jīng)KH570、KH151 和KH560 處理后的UV 涂層與木材表面粘接強(qiáng)度分別提高到5.91 MPa、5.42 MPa 和1.88 MPa。

Wang W R 等[57]為了改變鋼與環(huán)氧膠粘劑之間的界面強(qiáng)度，采用硅烷和聚乙烯醇吡咯烷酮將碳納米管在乙醇-水的混合物中進(jìn)行改性，將改性后的納米管懸浮液浸涂或噴涂的鋼板進(jìn)行單搭接實(shí)驗(yàn)。與對照組樣品相比，改性后的鋼表面界面剪切強(qiáng)度提高了52.8%。

3 結(jié) 語

綜合不同材料的各種表面處理方法和研究結(jié)果來看，不同的表面處理方法對不同材料的粘接性能有所不同，為提高材料的粘接強(qiáng)度，應(yīng)選取適合自身特性的表面處理方法。近年來，有關(guān)表面處理技術(shù)的研究日益增多，新的表面處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大大地改善了其使用性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

表面處理是提高粘接性能的重要方法之一，但目前關(guān)于表面處理的技術(shù)研究多傾向于單一體系，而單一的處理方法通常不能勝任復(fù)雜的工作環(huán)境對材料表面的要求，因此，開發(fā)多種協(xié)同表面處理技術(shù)及其性能研究將是表面處理技術(shù)今后的主要方向之一。除此之外，協(xié)同表面處理技術(shù)也能發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，成為各材料表面改性研究的重要內(nèi)容。