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隨著現代高科技的不斷發展,對所需要的結構材料提出了更高的要求,先進復合材料于上世紀五六十年代被開發出來,到現在已經被廣泛應用于相關領域并帶動整個工業技術的進步。其中,碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)由于具有比模量大、比強度高、耐高溫性能、耐化學腐蝕、抗疲勞、可設計性強和尺寸穩定性好等優點,被廣泛應用于軍事、航空航天、石化、汽車、電子、機械等各個領域。

然而碳纖維復合材料表面自由能比較低,表面粗糙度較低,表面極性基團含量較少,需要采用表面處理技術在膠接面上形成極性基團,增加膠接面表面粗糙度,提高膠接面表面自由能等特性,提升了膠接強度。傳統的表面改性方法如機械打磨、化學氧化等處理方法伴隨著高能耗、廢氣、廢液等污染的產生,相對而言采用等離子體處理方法,特別是大氣壓等離子體處理方法,可以對表面進行大面積處理,通過在膠接表面形成親水極性基團、增加表面粗糙度、提高表面自由能,在改善表面的同時,對碳纖維復合材料基體損傷較低,可作為大面積膠接的表面處理方式。

等離子體對碳纖維復合材料改性后,有助于碳纖維復合材料表面性能的增強,從而改進了碳纖維復合材料的連接方式,促進了碳纖維復合材料的大規模應用,減少了運輸成本,減少了燃油消耗,促進了碳纖維復合材料的應用與發展,提高生產力發展水平的同時保護了自然環境。

等離子體處理對碳纖維復合材料表面親水性能的影響

為了研究等離子處理對碳纖維復合材料(CFRP)試樣表面親水性能的影響,進行了一項實驗并測量了水接觸角(WCA),以評估表面潤濕性的變化。根據圖1的結果顯示,在原始試樣表面上,水的接觸角為98.6°。然而,隨著處理時間的逐步增加,CFRP試樣的WCA值逐漸下降至35.6°、31.1°、22.3°、13.9°和7.4°,呈現出明顯的降低趨勢。

圖1 不同等離子體處理時間單向CFRP表面水接觸角

為了進一步研究等離子體處理對CFRP表面性能的影響,觀察了水滴在表面的擴散狀態,并記錄了水擴散面積的變化,結果如圖2和表2所示。對于未處理的樣品,由于水的表面張力相對較大,水滴形狀呈圓形,這表明未處理的膠接表面的潤濕性較差。然而,經過等離子體處理后,處理后的CFRP表面的潤濕性得到了改善,水滴的潤濕面積明顯增加。在1分鐘到9分鐘的處理時間范圍內,潤濕面積的增加分別為61.35%、174.81%、287.53%、450.13%和640.65%。這進一步證明了等離子體處理可顯著提高CFRP表面的潤濕性,并為CFRP表面處理提供了一種有效的方法。

圖2 不同等離子體處理時間下水滴在CFRP表面的擴散情況: (a) 未處理; (b) 1min; (c) 3min; (d) 5min; (e)  7min; (f) 9min 

表2 為不同等離子體處理時間的水滴潤濕面積

表面潤濕性是形成膠接劑與碳纖維復合材料界面的必要先決條件,它直接影響膠結強度。碳纖維復合材料的表面潤濕性既取決于表面自由能,也取決于材料之間的機械互鎖效應,因此,表面粗糙度也是影響潤濕性和膠接強度的重要因素。

經等離子體處理后,CFRP碳纖維試樣膠接區域的水接觸角變化表明,處理過程中能量的積累可以提高表面潤濕性。因此,這種現象可能是由于表面極性相關的表面自由能增加,以及材料表面粗糙度的增加所導致。這些因素共同作用,有利于提高表面潤濕性,從而增強界面的膠接強度。