復合材料用碳纖維等離子體表面改性技術

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

復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，復合材料的用量代表了飛機的先進水平。隨著航空技術向輕質高強、節能減排等方向發展，對復合材料的應用和高性能化提出了更高的要求，世界強國正競相發展先進復合材料技術。碳纖維由于具有比強度高、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕等一系列優良性能，以其作為增強相的樹脂基復合材料，在航空航天用結構材料、防護材料等方面展現出極大的潛力。

復合材料內應力傳遞面稱為界面，界面間的粘結強度不僅直接關系到復合材料各項力學性能，還影響著復合材料的使用壽命。因此，復合材料內部纖維增強相與樹脂基體間的界面粘結強度已成為復合材料安全使用的關鍵性能指標之一。但由于碳纖維表面較為光滑，且為非極性的高度結晶的石墨片層結構，呈現較高的化學惰性，導致其與樹脂基體間的界面粘結強度較弱，最終影響復合材料的整體性能，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合材料在航空工業上的應用。

表面改性技術是當前普遍采用的一種通過改變碳纖維表面狀態來提高其與基體粘結強度的技術手段。常規的表面改性方法主要包括物理改性和化學改性，如電化學處理、高溫氣體氧化、自由基捕獲嫁接、化學氧化和表面伽馬射線處理等，這些常規的碳纖維表面改性方法雖可以實現批量處理，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境污染較大等不足。隨著生態文明建設的發展要求，當前碳纖維改性技術的發展趨勢是以綠色制造技術為引導，從工藝、材料、設備等多渠道著手，注重生產過程中每一個環節的生態問題，努力優化表面改性技術，減少化學藥劑、水、能源的消耗，以達到高效、環保的目的。等離子體表面改性是近些年發展起來的一種表面物理改性技術，由于其作用時間短、綠色環保，且只影響纖維表層而不改變基體內部性能等優勢，受到了越來越多的關注。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、紫外光及亞穩態粒子轟擊纖維表面，導致纖維分子激發、電離、化學鍵斷裂與重組等發生，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結構；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，清除纖維表面雜質，刻蝕纖維表面，導致纖維表面粗糙度增大并產生溝槽，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
研究中發現等離子體處理過程中會在碳纖維表面發生化學鍵斷裂與重組，進而在碳纖維表面形成自由基和活性基團等新的化學結構。選用的實驗裝置不同，放電環境不同，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，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，會產生明顯的清潔效果，即經過處理后，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，還是刻蝕效應，等離子體處理后，碳纖維表面缺陷和微觀結構發生變化，纖維的力學性能也會發生變化，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
纖維經等離子體處理時，其他工藝參數不變的條件下，等離子體放電功率會對纖維表面改性效果產生影響。當放電功率合適時，等離子體在纖維表面產生活性基團，能提高纖維與樹脂基之間的界面結合強度；當放電功率過高時，等離子體與纖維表面的反應速率過快，反應過于強烈，則有可能導致纖維表面在等離子體處理初期己形成的活性基團發生分解或再反應，降低改性效果。

國外發達國家的高性能航空碳纖維增強樹脂基復合材料體系日趨完善，在軍民用航空裝備上實現了廣泛應用，復合材料制造工藝技術的自動化程度不斷提升。國內航空碳纖維樹脂基復合材料技術體系基本建立，與國外復合材料性能的差距日漸縮小，但國內航空碳纖維樹脂基復合材料，在技術成熟度、制造工藝的自動化程度、應用水平和綜合制造成本等方面，與發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，并且環保、節能，適合工業化應用。對等離子體處理碳纖維樹脂基復合材料進行研究，加快推進大規模工業化應用，一定程度上可以縮短與國外發達國家在高性能航空碳纖維增強樹脂基復合材料上的差距，能補齊航空工業的短板，為工業現代化提供強有力支撐。