近日，校区材料科学与工程学院、山东省特种焊接技术重点实验室檀财旺教授、苏健晖副研究员团队在碳纤维增强热塑复合材料（CFRTP）与金属异质材料的焊接界面电子成键机制研究领域取得重要研究进展。团队从电子尺度出发，提出利用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，揭示了电子供体-受体驱动的配位成键机制，破解了金属/CFRTP焊接界面结合强度低、成键本质不清晰等难题。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，发表在国际著名学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。

金属-CFRTP异质结构兼具金属材料的高强度、高刚度与聚合物材料的轻质、耐腐蚀及功能可设计性，在航空航天、交通运输、电子器件和能源装备等领域具有重要应用前景。直接焊接能够避免螺栓增重和胶黏剂老化等问题，是实现金属与CFRTP高效一体化连接的重要技术。然而，金属与热塑复材在晶体结构、物理化学性质等方面存在显著差异，焊接过程中难以形成稳定的界面化学作用，连接强度和服役可靠性受到限制。长期以来，相关研究主要通过表面粗化和机械互锁改善接头性能，对焊接界面化学键如何形成、不同材料组合为何表现出不同连接能力，仍缺乏统一的理论认识。

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30MPa，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

哈尔滨工业大学为论文第一通讯单位，材料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，檀财旺教授为论文通讯作者，宋晓国教授对研究方向和论文整体工作给予指导。该研究由哈尔滨工业大学与新加坡国立大学Swee Leong Sing教授团队合作完成，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

（刘一凡）