Gecko-inspired tunable hierarchical interface for CF/PEEK-titanium hybrid laminates: synergistic enhancement via laser-induced micro-texturing and in-situ grown TiO2 nanotube arrays
本研究表明，通过将激光诱导微纹理与钛表面原位生长的 TiO2 纳米管阵列相结合，所构建的仿壁虎启发式分级界面通过多尺度机械互锁与表面润湿性的协同提升，显著地将 CF/PEEK-钛杂化层合板的层间剪切强度提高了 201.98%。
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在先进工程领域，创造出既极其轻盈又足以承受极端条件的材料是一个不断的追求。一个充满前景的解决方案涉及将薄金属片（如钛）与高性能塑料及碳纤维增强层进行堆叠。这些被称为纤维金属层压板（fiber metal laminates）的混合结构，兼具了金属的韧性和耐热性，以及先进复合材料的轻量化和耐用性。然而，一个持久的问题一直阻碍着这些材料的发展：金属与塑料在自然状态下并不容易粘合在一起。由于它们的物理特性迥异，层间的结合力往往很弱。当施加应力时，各层往往会发生剥离，而不是作为一个整体发挥作用，就像试图将一张湿纸贴在光滑的玻璃窗上一样；如果没有特殊的抓取力，它们只会轻易滑开。
为了解决这个问题，哈尔滨工业大学和新加坡国立大学的研究人员向自然寻求蓝图。他们研究了壁虎的脚，这种生物可以凭借惊人的力量吸附在光滑的墙壁和天花板上。其中的奥秘在于壁го脚部的结构，其表面覆盖着数百万根微小的毛发，这些毛发又进一步分裂成更小的纳米级尖端。这种多级设计使壁虎能够最大限度地增加与表面的接触，通过纯粹的物理相互作用产生强大的抓力，而非依靠化学胶水。研究团队提出了一个简单的问题：他们能否在钛表面构建一种类似的这种多级结构，从而使其能更好地粘附在混合层压板中的塑料层上？
研究人员首先取出一片钛片，利用精密激光在表面刻蚀出一组微观沟槽。这些沟槽构成了结构的第一层级，类似于壁虎脚上的大毛发。他们测试了不同的深度和间距，以寻找完美的排列方式。接着，他们对包括沟槽内部在内的整个表面进行了电化学处理，生长出数百万根细小的二氧化钛中空管。这些纳米管极其微小，肉眼无法看见，但它们密集地覆盖在表面上，模拟了壁虎脚部的纳米级尖端。其结果是，该表面同时具备了激光沟槽的大尺度通道和纳米管的细微纹理，创造出一种旨在捕捉并锁住熔融塑料的分级界面。
当研究团队将这种经过特殊处理的钛与碳纤维层以及一种名为PEEK的高温塑料结合时，他们观察到材料的行为发生了显著变化。在未经处理的样本中，熔融塑料只是简单地停留在光滑的金属表面，形成一个易于在压力下断裂的弱结合。而在新设计中，液态塑料流进了激光刻蚀的沟槽，并渗透进中空的纳米管深处。随着塑料冷却变硬，它将自己锁定在这些结构中，形成了一种复杂的机械互锁。这就像是塑料在金属中长出了根，使得如果不破坏塑料本身，就几乎无法将各层剥离。
这种方法取得的结果令人瞩目。研究人员发现，由15微米深、间距为1.0毫米的沟槽与纳米管阵列相结合的特定组合，产生了最强的结合力。金属与塑料之间的连接强度与未经处理的版本相比增加了一倍以上。从技术角度来看，使各层发生剪切分离所需的力从大约29兆帕跃升至近88兆帕。这种提升不仅仅是数字上的变化；材料失效的方式也发生了彻底改变。层与层之间不再是干净利落地在界面处剥离，而是失效转移到了塑料层本身，这意味着现在的结合强度已经超过了它所承载的材料。塑料在结合力失效前先发生了撕裂和拉伸，这表明连接更加坚韧且可靠。
通过精确控制沟槽的大小和纳米管的密度，团队证明了他们可以调节表面以最大化这种效应。他们展示了两种结构的结合效果优于其中任何一种单独存在。激光沟槽为塑料提供了较大的抓取面积，而纳米管则提供了极大的微观表面积，使塑料能够深入渗透并牢固锚定。这项研究证实，模仿自然界中的多尺度架构可以解决复杂的工程问题，为航空航天和其他高要求应用提供了一种制造轻质高强材料的新途径，且无需依赖化学粘合剂。这项工作证明，通过对材料表面进行工程化处理，使其与搭档产生物理交互，工程师可以创造出比以往认为的更为强大且耐用的连接。
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