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复合材料用碳纤维等离子体表面改性技术

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-11-08
复合材料由于具有比重小、比强度大和耐腐蚀性能好等显著优势,在军用和民用航空中用量都在逐步增加,在一定程度上,复合材料的用量代表了飞机的先进水平。随着航空技术向轻质高强、节能减排等方向发展,对复合材料的应用和高性能化提出了更高的要求,世界强国正竞相发展先进复合材料技术。碳纤维由于具有比强度高、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀等一系列优良性能,以其作为增强相的树脂基复合材料,在航空航天用结构材料、防护材料等方面展现出极大的潜力。
等离子体处理
复合材料内应力传递面称为界面,界面间的粘结强度不仅直接关系到复合材料各项力学性能,还影响着复合材料的使用寿命。因此,复合材料内部纤维增强相与树脂基体间的界面粘结强度已成为复合材料安全使用的关键性能指标之一。但由于碳纤维表面较为光滑,且为非极性的高度结晶的石墨片层结构,呈现较高的化学惰性,导致其与树脂基体间的界面粘结强度较弱,最终影响复合材料的整体性能,甚至威胁部件的使用安全,一定程度上制约了碳纤维树脂基复合材料在航空工业上的应用。

表面改性技术是当前普遍采用的一种通过改变碳纤维表面状态来提高其与基体粘结强度的技术手段。常规的表面改性方法主要包括物理改性和化学改性,如电化学处理、高温气体氧化、自由基捕获嫁接、化学氧化和表面伽马射线处理等,这些常规的碳纤维表面改性方法虽可以实现批量处理,效率相对比较高,但存在处理后纤维表面损伤不好控制且对环境污染较大等不足。随着生态文明建设的发展要求,当前碳纤维改性技术的发展趋势是以绿色制造技术为引导,从工艺、材料、设备等多渠道着手,注重生产过程中每一个环节的生态问题,努力优化表面改性技术,减少化学药剂、水、能源的消耗,以达到高效、环保的目的。等离子体表面改性是近些年发展起来的一种表面物理改性技术,由于其作用时间短、绿色环保,且只影响纤维表层而不改变基体内部性能等优势,受到了越来越多的关注。其原理包括两方面:一是等离子体中存在高能(几十电子伏特)的带电粒子、紫外光及亚稳态粒子轰击纤维表面,导致纤维分子激发、电离、化学键断裂与重组等发生,一定时间后在纤维表面形成大量自由基和活性基团等新的化学结构;二是等离子体中的高能量电子可以加速较低温度的活性粒子,使其在纤维表面引起溅射反应,清除纤维表面杂质,刻蚀纤维表面,导致纤维表面粗糙度增大并产生沟槽,增加了纤维与树脂的接触面积,进而增强了两相之间的界面粘结强度。


等离子处理工艺对碳纤维表面改性的影响


等离子体种类对碳纤维表面改性的影响
研究中发现等离子体处理过程中会在碳纤维表面发生化学键断裂与重组,进而在碳纤维表面形成自由基和活性基团等新的化学结构。选用的实验装置不同,放电环境不同,在纤维表面改变表面形貌等特征的程度和引入的活性基团也不同。例如,如果使用氧气作为放电介质,就会在纤维表面引入大量的含氧基团。如果气体是空气、氮气或者氨气,则会在碳纤维表面引入一定量的含氮基团。如果不想引入其他元素,单纯是碳纤维表面化学键重组,可以在低气压下用惰性气体放电,如氩气。通常,引入氧原子会产生含氧基团,如—C==O和—COOH/—COOR基团,能提高碳纤维的表面能,从而提高碳纤维与树脂基体的粘结强度。

等离子体处理时间对碳纤维表面改性的影响
低温等离子体处理碳纤维表面,会产生明显的清洁效果,即经过处理后,纤维表面附着物以及他凸起物都会明显消除,纤维表面更加光滑。但长时间的低温等离子体处理,也会造成一定程度的表面刻蚀,使碳纤维表面粗糙度增加。无论是表层清洁效应,还是刻蚀效应,等离子体处理后,碳纤维表面缺陷和微观结构发生变化,纤维的力学性能也会发生变化,主要影响拉伸强度。

等离子体放电功率对碳纤维表面改性的影响
纤维经等离子体处理时,其他工艺参数不变的条件下,等离子体放电功率会对纤维表面改性效果产生影响。当放电功率合适时,等离子体在纤维表面产生活性基团,能提高纤维与树脂基之间的界面结合强度;当放电功率过高时,等离子体与纤维表面的反应速率过快,反应过于强烈,则有可能导致纤维表面在等离子体处理初期己形成的活性基团发生分解或再反应,降低改性效果。

国外发达国家的高性能航空碳纤维增强树脂基复合材料体系日趋完善,在军民用航空装备上实现了广泛应用,复合材料制造工艺技术的自动化程度不断提升。国内航空碳纤维树脂基复合材料技术体系基本建立,与国外复合材料性能的差距日渐缩小,但国内航空碳纤维树脂基复合材料,在技术成熟度、制造工艺的自动化程度、应用水平和综合制造成本等方面,与发达国家尚有不小的差距。等离子体处理碳纤维能有效改善碳纤维和树脂基之间的粘接强度,并且环保、节能,适合工业化应用。对等离子体处理碳纤维树脂基复合材料进行研究,加快推进大规模工业化应用,一定程度上可以缩短与国外发达国家在高性能航空碳纤维增强树脂基复合材料上的差距,能补齐航空工业的短板,为工业现代化提供强有力支撑。

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