碳纤维复合材料等离子体表面处理提高粘接性

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：2026-07-11

随着现代高科技的不断发展,对所需要的结构材料提出了更高的要求,先进复合材料于上世纪五六十年代被开发出来,到现在已经被广泛应用于相关领域并带动整个工业技术的进步。其中,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有比模量大、比强度高、耐高温性能、耐化学腐蚀、抗疲劳、可设计性强和尺寸稳定性好等优点,被广泛应用于军事、航空航天、石化、汽车、电子、机械等各个领域。

由于碳纤维复合材料固化后表面极性较差,表面活化自由能较低,表面粗糙度较低。为提升碳纤维复合材料胶接强度,需要对碳纤维复合材料表面进行清洁和活化,常见对于碳纤维复合材料表面处理方式大概分为三类:机械工艺、化学工艺、物理化学工艺。碳纤维复合材料胶接表面处理目的包括去除表面污染物、提高表面自由能来提高表面浸润性、增加表面粗糙度来提高胶接剂与碳纤维复合材料机械互锁和接触面积,以此来提升胶接性能。

碳纤维复合材料表面处理

可搭配复合材料的基体和增强体种类繁多,具体的碳纤维复合材料表面处理方法种类也有很多,对于胶接用复合材料表面处理方式可大致分为三类:

物理工艺:胶接面机械打磨,具有处理方式简单、处理效果显著的特点,通过机械打磨,可去除表面油污和杂质,同时提升表面粗糙度,增加胶接剂面积,增强机械互锁作用,增加胶接剂在胶接面表面的浸润性,提高表面能,提升胶接强度。但随着机械打磨的程度加深,复合材料表面受损增加,对本体损伤较大,从而对胶接接头影响较大。

化学工艺:通过酸、碱等化学试剂表面处理,可在惰性材料表面引入羰基、羧基等极性基团,改变复合材料表面的官能团以及元素比例,活化原本聚合在一起的高分子长链,提升表面活化能,增加复合材料基材与胶接剂的粘合性,提高胶接强度。但由于处理过程及后续工序的化工排放等污染产生的环保问题,在大规模工业生产中受到一定程度的限制。

物理化学工艺:通过等离子体、激光等进行表面处理,可同时改变复合材料表面的物理化学性质,包括表面粗糙度、极性官能团、表面自由能、元素比例等,结合了物理工艺和化学工艺的优势,通过增强表面来提升胶接强度。与其他处理方式相比,等离子体表面处理具有高效、环保以及对基材损伤较小的优点,该方法不仅处理效果优秀,而且工艺可控,无污染,具有良好的工业前景。因此,等离子体表面处理越来越多地用于增强复合材料表面。

等离子体表面处理技术

等离子体处理是通过电离后的气体产生的高能粒子对材料表面的撞击作用来改善材料表面的粗糙度、润湿性等性能的表面改性处理方法。研究表明,等离子体对材料表面的改性原理可以从四个方面加以解释,分别为表面杂质清除、表面刻蚀、表面交联、改变表面极性基团比例或在材料表面引入新的极性基团。

表面杂质清除:为了满足表面使用状态,实际应用中的材料往往添加了化学改性剂作用于复合材料表面清除,因此可能会对复合材料表面组分造成影响或是将表面进行稀释导致分散不均匀。等离子体的喷射处理方式,不产生化学废料,对环境无污染,被看作是有效的“干式”除杂方法,等离子体处理在金属、无机材料的表面处理已经得到了广泛应用。近些年来,等离子体的应用范围逐渐扩大到有机材料。常见的等离子发生气体有氦气、氩气等惰性气体。

表面刻蚀:复合材料受到等离子体处理,电离后的高能粒子冲击刻蚀表面,这种刻蚀作用于物理打磨的效果相类似,可大面积的去除材料表面的弱边界层,使材料表面变得凹凸不平,增加表面粗糙度,增强了机械互锁效应。此外,等离子体刻蚀还会作用于化学键,使化学键发生断裂,增加极性基团,提高表面活化能。刻蚀作用虽然能改变复合材料表面浸润性,但在使用过程中要注意处理时间的长短以及处理距离的控制,长时间或较近距离的等离子体处理会对材料本体造成损伤,使本体力学性能下降。

表面官能团引入:当等离子体作用于材料表面时,高能粒子和激发态自由基等粒子高速轰击复合材料表面,使得材料表面的C-C和C-H等化学键发生断裂,形成自由基团,获得较高能量的自由基团具备不稳定性,可与其他物质发生反应,也可以自由基团之间重新键合。胶接时,等离子体处理复合材料后迅速将胶接剂配制完全,均匀涂敷在等离子体处理后的胶接区域上。

传统的表面改性方法如机械打磨、化学氧化等处理方法伴随着高能耗、废气、废液等污染的产生,相对而言采用等离子体处理方法,特别是大气压等离子体处理方法,可以对表面进行大面积处理,通过在胶接表面形成亲水极性基团、增加表面粗糙度、提高表面自由能,在改善表面的同时,对碳纤维复合材料基体损伤较低,可作为大面积胶接的表面处理方式。

等离子体对碳纤维复合材料改性后,有助于碳纤维复合材料表面性能的增强,从而改进了碳纤维复合材料的连接方式,促进了碳纤维复合材料的大规模应用,减少了运输成本,减少了燃油消耗,促进了碳纤维复合材料的应用与发展,提高生产力发展水平的同时保护了自然环境。