陈科副教授在高分子-金属连接界面研究中取得新进展

pashan

近日，材料科学与工程学院焊接所王敏教授、陈科副教授课题组通过多尺度表征方法，阐明了高分子与金属的界面反应机制，揭示了高分子-金属界面结构及宏/微观结合机理，并首次就氢键和共价键对界面结合的贡献大小进行了评估和比较。该成果以“Chemical Reaction and Bonding Mechanism at the Polymer-Metal Interface”为题发表于材料领域TOP期刊ACS Applied Materials & Interfaces。论文第一作者为材料科学与工程学院博士生邹鑫，通讯作者为陈科副教授。

图1 论文发表截图

        高分子-金属复合结构不仅能实现结构轻量化，还能实现功能复合化，具有优异的综合性能，近年来引起了广泛关注。然而，这两种材料间物理化学性能的巨大差异，使得两者间的高性能连接极具挑战。因此，阐明高分子-金属界面的结合机理至关重要。
        研究团队以应用于5G通信光缆金属铠装层中的钢塑复合带为研究对象，对复合带中乙烯丙烯酸与镀铬钢的界面结构、化学反应及结合机理开展研究。对覆膜镀铬钢界面结合机理的主流认识是氢键结合。但是，一直以来缺乏实验证据。在这项工作中，作者利用ToF-SIMS深度剖析技术给出了氢键结合的直接实验证据。在此基础上，发现了一种共价键合的界面结合新机制：乙烯丙烯酸中羧基与镀铬钢表面Cr2O3之间化学反应形成−(O=)C−O−Cr单齿键合和−C−(O−Cr)2双齿键合。并首次对共价键和氢键对界面结合的贡献进行了评估和比较。结果表明，共价键占据主导地位。同时，由于共价键比氢键具有更高的稳定性，特别是在潮湿或腐蚀性的实际应用场景中氢键更易被破坏，共价键在乙烯丙烯酸-镀铬钢界面连接中具有更为重要的作用。获得的乙烯丙烯酸与镀铬钢界面剥离强度达到6.6 ± 0.2 N/cm，超越5G通信光缆应用要求的6.13 N/cm。

图2 高分子-金属界面STEM表征及能谱分析

图3 高分子-金属界面元素价态分析

图4 高分子-金属界面ToF-SIMS三维重构

        这项研究通过多尺度分析，为面向5G通信光缆应用的钢塑复合带成型工艺优化、寻找新的高分子替代材料从而开发新型复合带提供了理论基础。同时，也为进一步研究和解析高分子-金属复合结构中的界面键合提供了方法和理论指导。
        该工作得到了国家自然科学基金、转化医学重大基础设施（上海）开放课题、闵行产学研项目的资助。论文的合作单位上海网讯新材料科技股份有限公司是专业的光、电缆材料供应商。
        原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c04971


       文章来源：上海交通大学
        王敏，上海交通大学材料科学与工程学院副院长, 教授、博导。教育部高等学校材料科学与工程教指委金属材料工程与冶金工程专业教学指导分委会委员。1983年于上海交大获学士学位，1986年获硕士学位，其后在上海交通大学焊接工程研究所任助教、讲师、副教授，2001年晋升为教授。任职期间在职攻读并获得博士学位，并在法国INSA de Lyon高访半年。
         陈科，上海交通大学。在美国学习和工作期间，先后研究铝合金和镁合金的搅拌摩擦焊接工艺和组织性能控制，以及焊后微观组织与热稳定性的关系。师从美国工程院院士R. H. Wagoner 教授，在美国通用汽车项目资助下，利用先进的表征方法，研究了搅拌摩擦焊接工艺对焊接过程中焊核区组织演化的作用，基于Humphreys晶粒生长模型建立了焊后焊核组织与焊后热处理过程焊核组织演化之间的关系。通过结合理论模型和实验结果，从待焊材料成分和焊接工艺的角度，提出了抑制焊核区异常晶粒长大的方法。 2010年加入交大后，研究重点在异种材料间搅拌摩擦焊接工艺和机理、提高焊核细晶结构热稳定性的搅拌摩擦焊接新方法、以及高温合金热加工过程的组织调控。以项目主持人的身份，已获得包括国家自然科学青年基金、教育部博士点新教师基金、上海市自然科学基金在内的6项纵向项目（含2项国防基金）；以及日本大金工业、航天八院、上海汽轮机厂等资助下的7项国际合作和企业合作项目。累计发表20多篇学术论文；已申请6项国家发明专利，其中3项已获得授权。目前的研究重点： 1） 异种金属的搅拌摩擦焊接及相变行为 2） 金属与非金属的连接机制及新方法 3） 金属热变形过程的组织演化。