復(fù)合材料用碳纖維等離子體表面改性技術(shù)

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-11-08

復(fù)合材料由于具有比重小、比強度大和耐腐蝕性能好等顯著優(yōu)勢，在軍用和民用航空中用量都在逐步增加，在一定程度上，復(fù)合材料的用量代表了飛機的先進水平。隨著航空技術(shù)向輕質(zhì)高強、節(jié)能減排等方向發(fā)展，對復(fù)合材料的應(yīng)用和高性能化提出了更高的要求，世界強國正競相發(fā)展先進復(fù)合材料技術(shù)。碳纖維由于具有比強度高、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，以其作為增強相的樹脂基復(fù)合材料，在航空航天用結(jié)構(gòu)材料、防護材料等方面展現(xiàn)出極大的潛力。

復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力傳遞面稱為界面，界面間的粘結(jié)強度不僅直接關(guān)系到復(fù)合材料各項力學(xué)性能，還影響著復(fù)合材料的使用壽命。因此，復(fù)合材料內(nèi)部纖維增強相與樹脂基體間的界面粘結(jié)強度已成為復(fù)合材料安全使用的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。但由于碳纖維表面較為光滑，且為非極性的高度結(jié)晶的石墨片層結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)較高的化學(xué)惰性，導(dǎo)致其與樹脂基體間的界面粘結(jié)強度較弱，最終影響復(fù)合材料的整體性能，甚至威脅部件的使用安全，一定程度上制約了碳纖維樹脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)上的應(yīng)用。

表面改性技術(shù)是當(dāng)前普遍采用的一種通過改變碳纖維表面狀態(tài)來提高其與基體粘結(jié)強度的技術(shù)手段。常規(guī)的表面改性方法主要包括物理改性和化學(xué)改性，如電化學(xué)處理、高溫氣體氧化、自由基捕獲嫁接、化學(xué)氧化和表面伽馬射線處理等，這些常規(guī)的碳纖維表面改性方法雖可以實現(xiàn)批量處理，效率相對比較高，但存在處理后纖維表面損傷不好控制且對環(huán)境污染較大等不足。隨著生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求，當(dāng)前碳纖維改性技術(shù)的發(fā)展趨勢是以綠色制造技術(shù)為引導(dǎo)，從工藝、材料、設(shè)備等多渠道著手，注重生產(chǎn)過程中每一個環(huán)節(jié)的生態(tài)問題，努力優(yōu)化表面改性技術(shù)，減少化學(xué)藥劑、水、能源的消耗，以達到高效、環(huán)保的目的。等離子體表面改性是近些年發(fā)展起來的一種表面物理改性技術(shù)，由于其作用時間短、綠色環(huán)保，且只影響纖維表層而不改變基體內(nèi)部性能等優(yōu)勢，受到了越來越多的關(guān)注。其原理包括兩方面：一是等離子體中存在高能（幾十電子伏特）的帶電粒子、紫外光及亞穩(wěn)態(tài)粒子轟擊纖維表面，導(dǎo)致纖維分子激發(fā)、電離、化學(xué)鍵斷裂與重組等發(fā)生，一定時間后在纖維表面形成大量自由基和活性基團等新的化學(xué)結(jié)構(gòu)；二是等離子體中的高能量電子可以加速較低溫度的活性粒子，使其在纖維表面引起濺射反應(yīng)，清除纖維表面雜質(zhì)，刻蝕纖維表面，導(dǎo)致纖維表面粗糙度增大并產(chǎn)生溝槽，增加了纖維與樹脂的接觸面積，進而增強了兩相之間的界面粘結(jié)強度。

等離子處理工藝對碳纖維表面改性的影響

等離子體種類對碳纖維表面改性的影響
研究中發(fā)現(xiàn)等離子體處理過程中會在碳纖維表面發(fā)生化學(xué)鍵斷裂與重組，進而在碳纖維表面形成自由基和活性基團等新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。選用的實驗裝置不同，放電環(huán)境不同，在纖維表面改變表面形貌等特征的程度和引入的活性基團也不同。例如，如果使用氧氣作為放電介質(zhì)，就會在纖維表面引入大量的含氧基團。如果氣體是空氣、氮氣或者氨氣，則會在碳纖維表面引入一定量的含氮基團。如果不想引入其他元素，單純是碳纖維表面化學(xué)鍵重組，可以在低氣壓下用惰性氣體放電，如氬氣。通常，引入氧原子會產(chǎn)生含氧基團，如—C==O和—COOH/—COOR基團，能提高碳纖維的表面能，從而提高碳纖維與樹脂基體的粘結(jié)強度。

等離子體處理時間對碳纖維表面改性的影響
低溫等離子體處理碳纖維表面，會產(chǎn)生明顯的清潔效果，即經(jīng)過處理后，纖維表面附著物以及他凸起物都會明顯消除，纖維表面更加光滑。但長時間的低溫等離子體處理，也會造成一定程度的表面刻蝕，使碳纖維表面粗糙度增加。無論是表層清潔效應(yīng)，還是刻蝕效應(yīng)，等離子體處理后，碳纖維表面缺陷和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維的力學(xué)性能也會發(fā)生變化，主要影響拉伸強度。

等離子體放電功率對碳纖維表面改性的影響
纖維經(jīng)等離子體處理時，其他工藝參數(shù)不變的條件下，等離子體放電功率會對纖維表面改性效果產(chǎn)生影響。當(dāng)放電功率合適時，等離子體在纖維表面產(chǎn)生活性基團，能提高纖維與樹脂基之間的界面結(jié)合強度；當(dāng)放電功率過高時，等離子體與纖維表面的反應(yīng)速率過快，反應(yīng)過于強烈，則有可能導(dǎo)致纖維表面在等離子體處理初期己形成的活性基團發(fā)生分解或再反應(yīng)，降低改性效果。

國外發(fā)達國家的高性能航空碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料體系日趨完善，在軍民用航空裝備上實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料制造工藝技術(shù)的自動化程度不斷提升。國內(nèi)航空碳纖維樹脂基復(fù)合材料技術(shù)體系基本建立，與國外復(fù)合材料性能的差距日漸縮小，但國內(nèi)航空碳纖維樹脂基復(fù)合材料，在技術(shù)成熟度、制造工藝的自動化程度、應(yīng)用水平和綜合制造成本等方面，與發(fā)達國家尚有不小的差距。等離子體處理碳纖維能有效改善碳纖維和樹脂基之間的粘接強度，并且環(huán)保、節(jié)能，適合工業(yè)化應(yīng)用。對等離子體處理碳纖維樹脂基復(fù)合材料進行研究，加快推進大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，一定程度上可以縮短與國外發(fā)達國家在高性能航空碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料上的差距，能補齊航空工業(yè)的短板，為工業(yè)現(xiàn)代化提供強有力支撐。