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