等离子体处理对碳纤维与树脂复合材料的界面粘接性能影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-07-05

碳纤维具有化学惰性，没有经过处理的碳纤维和碳纤维织物很难与其它树脂构成结构完整的复合材料，碳纤维表面改性能够在碳纤维表面引入化学活性基团和纳米增强颗粒，从而提高碳纤维的表面化学活性、表面可浸润性、表面粗糙度，改善树脂基体与碳纤维的结合力，最终提高复合材料的界面性能。常见的表面改性方法有上浆剂法、纳米微粒改性法、表面氧化法、等离子体处理法等。

等离子体处理法

等离子体是指正负电荷的数量或密度基本相等而形成宏观电中性的物质集合体，等离子体处理法即使用等离子体撞击碳纤维表面，从而对碳纤维表面进行刻蚀，使碳纤维表面的粗糙度和比表面积增加。此外，由于等离子体粒子一般具有几个到几十个电子伏特的能量，撞击在碳纤维表面可能引发自由基反应，从而可以在碳纤维表面引入化学活性基团。

碳纤维表面氧等离子体处理是通过增加碳纤表面粗糙度和表面含氧官能团，提高纤维与树脂基体间的粘接强度，而复合材料的力学性能主要取决于复合材料的界面粘接强度，因此复合材料的力学性能得到提高。

碳纤维经氧等离子体处理后，由于等离子体处理过程中等离子气体中的高能粒子等活性物质接触纤维表面，使碳纤维表面产生微小刻蚀导致表面面积增加，而处理前后碳纤维的表面密度基本保持不变，因此碳纤维的表面粗糙增加，表面粗糙度增加了纤维与树脂之间相互贯穿，产生更多的机械嵌合作用，这些机械嵌合作用能够使纤维与树脂之间具有更高的粘接强度。相反地，过度的等离子体处理会使纤维表面整体变得平滑而使表面粗糙度减小，不利于纤维与树脂的粘接，因此复合材料的力学性能开始降低。

等离子处理后碳纤维表面含氧官能团增加主要是因为在等离子体处理过程中，氧等离子体中含有大量的含氧高能粒子，包括原子氧、分子氧、氧离子和过氧化自由基，这些高能含氧粒子冲击碳纤维表面，并与碳纤维表面的官能团发生一系列反应，从而在碳纤维表面引入大量的含氧活性基团，改善纤维的表面化学组成。碳纤维表面的活性含氧基团数量增加，有利于提高碳纤维与树脂基体间的化学键连接，改善复合材料的界面粘接性能，因此复合材料的力学性能得到提高。

另外，碳纤维表面活性基团的增加使得碳纤维表面能增加，因而润湿性得到提高，增加复合材料的界面粘接性，提高复合材料的力学性能。相反地，过度的等离子体处理会使纤维表面的含氧官能团不再增加，且高速运动的离子将表面的含氧基团冲击掉，减少了提高碳纤维与树脂基体间的化学键连接，使得复合材料的力学性能开始下降。