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等离子体处理对树脂基复合材料粘接性能的影响

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-10-18
树脂基复合材料具有良好的工程性能,如比强度、比刚度高,耐久性强等,在汽车工业、海洋船舶工业、航空航天等领域中得到了广泛的应用。随着树脂基复合材料的广泛使用以及复合材料表面各种功能涂层的大量使用,对树脂基复合材料的表面性能提出了更高的要求。由于树脂基复合材料表面惰性强,润湿性差,表面自由能低,导致其粘接强度或涂层附着力不高,通常在粘涂之前对树脂基复合材料进行表面处理,提高其粘接强度。传统的对树脂基复合材料表面处理的方法主要是机械打磨法,该方法具有操作简便、绿色无污染、生产成本低等优点,但是其处理的质量难以控制,可能对复合材料基体或增强纤维造成损伤,且重现性差。
等离子体处理机
低温等离子体中包含大量电子、离子、分子、激发态原子等活性粒子,具有激发温度低、产生的活性粒子浓度高、操作简便、效率高、无污染等优点,被广泛应用于材料表面处理等领域。

等离子体处理对树脂基复合材料表面性能的影响


接触角与表面能

图1为树脂基复合材料处理前后水接触角,可以看出经过开放式低温等离子体处理后,树脂基复合材料表面的水接触角明显减小,润湿性增加。
树脂基复合材料等离子体处理前后表面水接触角
图一 树脂基复合材料等离子体处理前后表面水接触角(a) 未处理 (b) 低温等离子体处理
表面微观形貌

利用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜分析开放式低温等离子体处理前后树脂基复合材料表面的微观形貌与表面粗糙度。图2为处理前后复合材料的SEM图,可以看出经过开放式低温等离子体处理后复合材料表面微观形貌发生变化,未处理试样表面较为光滑,处理后的试样表面有些许的碳纤维裸露在表面,且碳纤维表面无损伤,如图2(b)中红色矩形框所示,试样表面树脂发生了刻蚀。图2(b)SEM图中试样表面些许白色物质为材料制备时加入的增强物质,其成分为Ca元素,等离子体对试样表面处理后,表层树脂被汽化,增强物质未被汽化留在了试样表面。采用激光共聚焦显微镜观察试样处理前后的三维形貌如图3所示,可以看出低温等离子体处理后的试样表面粗糙度明显增加,通过粗糙度测量得到未处理时粗糙度为0.87μm,处理后试样表面粗糙度为3.05μm,粗糙度增加了约2.5倍。根据机械结合理论,粗糙度的增加有利于增加粘接时胶黏剂与基体的粘接面积,有利于粘接强度的提高。
低温等离子体处理前后树脂基复合材料表面SEM 图
图二 低温等离子体处理前后树脂基复合材料表面SEM 图  (a) 未处理 (b) 低温等离子体处理
复合材料表面三维形貌图 (a)未处理(b)低温等离子体处理
图三 复合材料表面三维形貌图 (a)未处理(b)低温等离子体处理
低温等离子体处理后的复合材料表面活性基团的数量明显增加。氧元素含量的增加以含氧官能团的形式存在,根据化学键理论,含氧官能团增加有利于粘接时形成化学键结合,有利于粘接强度的提高。

树脂基复合材料经过开放式低温等离子体处理后,表面化学成分发生变化,表现在表面氧元素含量大大增加,碳含量相对减少,氧碳比增加;氧元素主要以含氧活性官能团的形式存在,表面极性官能团种类与数量增加,根据化学键理论,含氧官能团增加有利于粘接时胶黏剂与材料界面处形成化学键,有利于粘接强度的提高。

树脂基复合材料经过低温等离子体处理后,表面润湿性与表面能增加、表面粗糙度提高、表面极性基团数量增加,共同作用导致粘接强度提高。

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