等離子體處理對碳纖維與樹脂復(fù)合材料的界面粘接性能影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-07-05

碳纖維具有化學(xué)惰性，沒有經(jīng)過處理的碳纖維和碳纖維織物很難與其它樹脂構(gòu)成結(jié)構(gòu)完整的復(fù)合材料，碳纖維表面改性能夠在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)和納米增強(qiáng)顆粒，從而提高碳纖維的表面化學(xué)活性、表面可浸潤性、表面粗糙度，改善樹脂基體與碳纖維的結(jié)合力，最終提高復(fù)合材料的界面性能。常見的表面改性方法有上漿劑法、納米微粒改性法、表面氧化法、等離子體處理法等。

等離子體處理法

等離子體是指正負(fù)電荷的數(shù)量或密度基本相等而形成宏觀電中性的物質(zhì)集合體，等離子體處理法即使用等離子體撞擊碳纖維表面，從而對碳纖維表面進(jìn)行刻蝕，使碳纖維表面的粗糙度和比表面積增加。此外，由于等離子體粒子一般具有幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特的能量，撞擊在碳纖維表面可能引發(fā)自由基反應(yīng)，從而可以在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)。

碳纖維表面氧等離子體處理是通過增加碳纖表面粗糙度和表面含氧官能團(tuán)，提高纖維與樹脂基體間的粘接強(qiáng)度，而復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于復(fù)合材料的界面粘接強(qiáng)度，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。

碳纖維經(jīng)氧等離子體處理后，由于等離子體處理過程中等離子氣體中的高能粒子等活性物質(zhì)接觸纖維表面，使碳纖維表面產(chǎn)生微小刻蝕導(dǎo)致表面面積增加，而處理前后碳纖維的表面密度基本保持不變，因此碳纖維的表面粗糙增加，表面粗糙度增加了纖維與樹脂之間相互貫穿，產(chǎn)生更多的機(jī)械嵌合作用，這些機(jī)械嵌合作用能夠使纖維與樹脂之間具有更高的粘接強(qiáng)度。相反地，過度的等離子體處理會(huì)使纖維表面整體變得平滑而使表面粗糙度減小，不利于纖維與樹脂的粘接，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能開始降低。

等離子處理后碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加主要是因?yàn)樵诘入x子體處理過程中，氧等離子體中含有大量的含氧高能粒子，包括原子氧、分子氧、氧離子和過氧化自由基，這些高能含氧粒子沖擊碳纖維表面，并與碳纖維表面的官能團(tuán)發(fā)生一系列反應(yīng)，從而在碳纖維表面引入大量的含氧活性基團(tuán)，改善纖維的表面化學(xué)組成。碳纖維表面的活性含氧基團(tuán)數(shù)量增加，有利于提高碳纖維與樹脂基體間的化學(xué)鍵連接，改善復(fù)合材料的界面粘接性能，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。

另外，碳纖維表面活性基團(tuán)的增加使得碳纖維表面能增加，因而潤濕性得到提高，增加復(fù)合材料的界面粘接性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。相反地，過度的等離子體處理會(huì)使纖維表面的含氧官能團(tuán)不再增加，且高速運(yùn)動(dòng)的離子將表面的含氧基團(tuán)沖擊掉，減少了提高碳纖維與樹脂基體間的化學(xué)鍵連接，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能開始下降。