北京
近年来，装备轻量化与多功能集成已成为航空航天、轨道交通、新能源汽车及电子装备等领域的重要发展方向。金属材料具有高强度、高刚度和良好的导电导热性能，碳纤增强热塑复合材料（CFRTP）则具有轻质、耐腐蚀和易于功能化等优势。实现金属与CFRTP的一体化焊接，可充分发挥不同材料的性能优势，为先进多材料结构的设计与制造提供重要支撑。
然而，金属与CFRTP在晶体结构、物理化学性质等方面存在显著差异，焊接界面天然相容性较差，难以形成稳定、牢固的化学连接。传统方法主要依赖表面机械互锁或胶黏剂实现界面结合，不仅存在接头强度和长期服役可靠性不足等问题，而且对焊接过程中界面化学键如何形成、不同金属与热塑性复合材料为何表现出不同连接能力等关键科学问题仍缺乏统一认识。因此，从电子尺度揭示金属-CFRTP焊接界面的本征成键规律，是推动异质材料焊接由工艺经验优化向理论指导设计转变的关键。
近日，哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室宋晓国教授团队檀财旺教授在金属-CFRTP焊接界面化学成键领域取得重要进展。研究团队从电子尺度揭示了该异质界面本征成键机制，提出利用界面金属阳离子的低能未占据轨道与聚合物官能团协同作用强化界面结合的新策略，建立了电子供体-受体驱动的配位成键机制，为解决金属-CFRTP焊接接头界面结合强度不足、成键本质不清晰等问题提供了新的理论依据。
相关成果以《揭示金属-聚合物异质界面化学成键的本征电子机制》（Elucidation of the intrinsic electronic mechanism governing interfacial chemical bonding in metal-polymer hybrids）为题，发表在《Nature Communications》上。该研究由哈尔滨工业大学宋晓国教授团队完成，团队檀财旺教授为论文通讯作者，材料科学与工程学院博士研究生刘一凡为论文第一作者，苏健晖副研究员为协助指导教师。研究工作与新加坡国立大学Swee Leong Sing教授团队合作开展，并得到国家自然科学基金、国家科技重大专项课题、山东省自然科学基金等项目资助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-75952-3
针对上述焊接难题，研究团队从电子尺度系统研究了金属氧化物与聚合物官能团之间的界面相互作用，揭示了金属位点与聚合物官能团通过电子供体-受体作用形成稳定配位键的界面成键机制，并利用价带光电子能谱获得了直接实验验证。在此基础上，团队通过金属表面氧化、氧空位构筑与聚合物羧基功能化的协同设计，实现了界面电子结构和化学成键能力的主动调控。优化后的金属-CFRTP焊接接头拉伸剪切强度最高可达30 MPa，是未经界面调控接头的5倍以上，达到现有同类研究的领先水平。接头失效也由界面脱粘转变为聚合物侧内聚断裂，表明焊接界面已由接头的薄弱环节转变为能够有效承载和传递载荷的强化区域。
为进一步验证该界面成键理论对不同焊接材料体系的适用性，团队选取不同价态的多种结构金属，以及含氧、氮、硫等不同杂原子官能团的热塑性聚合物开展跨体系研究。结果表明，金属表面状态与聚合物官能团特征的合理匹配，是影响焊接界面化学反应和接头连接性能的重要因素。对已有金属-聚合物焊接研究数据的系统梳理也表明，不同材料组合所呈现的界面结合规律与该理论总体一致。该研究突破了以往依赖工艺参数和表面形貌进行经验优化的局限，为金属-热塑复材焊接中的材料组合筛选、界面调控和高性能接头设计提供了新的理论依据。
金属-CFRTP异质界面化学键合诱导及成键机制分析
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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