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混杂结构中不同材料的连接需要特别注意，因为接头的失效会导致工程结构的完全崩溃。传统的概念中如螺钉连接或铆钉接头，通常会在复合材料中引起预损伤，而额外的粘合剂的使用又增加了制造过程的复杂性。联锁非破坏性方法是一种合适的替代方法，其中连接是在混杂步骤中创建的。所有提到的方法都揭示了失效通常会从承载界面处产生，而其中一个原因就是界面强度相对于连接材料的内聚力强度更低。
微观界面粗糙度对有效界面强度有显著影响，将界面粗糙度考虑进来可以提高金属-复合材料接头的力学性能。例如可以通过对金属表面进行激光预处理或喷砂来实现增加金属的粗糙度。然而，预处理的选择取决于所需要达到的效果，如根据想要形成的随机分布的轮廓或固定的表面形貌来选择预处理方式。这使聚合物能够在制造过程中填充间隙并形成微观接头。
在设计过程中往往很难通过实验获得对损伤现象的理解，然而这种理解往往又是很有价值的。于是，在这种情况下研究者更多的会选择使用建模和模拟技术来研究，借助建模和模拟技术能够识别单个结构-属性关系。内聚力模型是描述界面失效的一种常见建模方法。在这种情况下，可以考虑增加粗糙度对界面强度的影响。相比之下，在断裂力学概念中也存在一些模型可以显式地解析局部界面。这使得根据界面粗糙度来研究粘合剂和内聚力失效的范围成为可能。对于类似材料和不同的材料，还提出了一种内聚力模型的组合用于研究纯粘合剂的失效。
近日，德国固体力学研究所的Franz Hirsch（第一作者），德累斯顿计算材料科学中心的Markus Kastner（通讯作者）及其团队，在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Modeling and simulation of interface failure in metal-composite hybrids”的文章，作者提出了一种分析金属-复合材料混杂界面失效的本构模型，该本构模型考虑了局部界面的粘接失效和整体材料的内聚力失效。采用内聚力模型表示界面失效，而使用弹性塑性损伤模型来描述聚合物的损伤行为。同时，采用了梯度增强的方式，避免了众所周知的局部连续损伤模型对网格的依赖性。最后，通过数值研究，研究了随机粗糙界面的局部界面强度和几何形状对其宏观性质的影响。
图 1 金属和纤维增强聚合物之间随机粗糙界面的微切片
图 2 界面区域的多尺度方案
图 3 (a)在混杂边界条件下的变形RVE构型，(b)h(x)的特征测量
图 4 应用超弹性-塑性梯度损伤模型得到的数据与从参考文献中提取的环氧树脂的实验试验数据的对比
图 5 (a)原始和平滑版本中的损伤演化定律，(b)使用不同κc值的损伤演化
图 6 拉伸载荷下的RVE均质化结果（ t0n = 15 MPa ，GCn = 20 J m−2）
图 7 基体损伤的轮廓图（ t0n = 15 MPa ，GCn = 20 J m−2，Rcz = 1.0）
图 8 RVE均质化结果（ t0n = 40 MPa ，GCn = 53 J m−2）
图 9 基体损伤的轮廓图（ t0n = 40 MPa ，GCn = 53 J m−2，Rcz = 1.0）
图 10 基体损伤的轮廓图（R=1.2）
研究表明，均质界面性能随着粗糙度的增加而提升。此外，混杂界面的主要失效机理高度依赖于局部界面强度。使用低界面强度，纯粘合失效形成独立于界面粗糙度。只有当局部界面强度增加到接近剩余材料强度的值时，才可以观察到从纯粘合失效到内聚力失效的转变。在这种情况下，内聚力失效必然的，因为它代表了一个高性能的界面。为了获得具有高强度的界面，可以通过预处理，如喷砂、激光或化学预处理，以增加局部界面强度和更高的粗糙度。
原始文献：Franz Hirsch , Erik Natkowski , Markus Kastner.Modeling and simulation of interface failure in metal-composite hybrids[J].Composites Science and Technology，2021，214：108965.
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