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。

然而碳纤维复合材料表面自由能比较低,表面粗糙度较低,表面极性基团含量较少,需要采用表面处理技术在胶接面上形成极性基团,增加胶接面表面粗糙度,提高胶接面表面自由能等特性,提升了胶接强度。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。

等离子体处理对碳纤维复合材料表面亲水性能的影响

为了研究等离子处理对碳纤维复合材料(CFRP)试样表面亲水性能的影响,进行了一项实验并测量了水接触角(WCA),以评估表面润湿性的变化。根据图1的结果显示,在原始试样表面上,水的接触角为98.6°。然而,随着处理时间的逐步增加,CFRP试样的WCA值逐渐下降至35.6°、31.1°、22.3°、13.9°和7.4°,呈现出明显的降低趋势。

图1 不同等离子体处理时间单向CFRP表面水接触角

为了进一步研究等离子体处理对CFRP表面性能的影响,观察了水滴在表面的扩散状态,并记录了水扩散面积的变化,结果如图2和表2所示。对于未处理的样品,由于水的表面张力相对较大,水滴形状呈圆形,这表明未处理的胶接表面的润湿性较差。然而,经过等离子体处理后,处理后的CFRP表面的润湿性得到了改善,水滴的润湿面积明显增加。在1分钟到9分钟的处理时间范围内,润湿面积的增加分别为61.35%、174.81%、287.53%、450.13%和640.65%。这进一步证明了等离子体处理可显著提高CFRP表面的润湿性,并为CFRP表面处理提供了一种有效的方法。

图2 不同等离子体处理时间下水滴在CFRP表面的扩散情况: (a) 未处理; (b) 1min; (c) 3min; (d) 5min; (e)  7min; (f) 9min 

表2 为不同等离子体处理时间的水滴润湿面积

表面润湿性是形成胶接剂与碳纤维复合材料界面的必要先决条件,它直接影响胶结强度。碳纤维复合材料的表面润湿性既取决于表面自由能,也取决于材料之间的机械互锁效应,因此,表面粗糙度也是影响润湿性和胶接强度的重要因素。

经等离子体处理后,CFRP碳纤维试样胶接区域的水接触角变化表明,处理过程中能量的积累可以提高表面润湿性。因此,这种现象可能是由于表面极性相关的表面自由能增加,以及材料表面粗糙度的增加所导致。这些因素共同作用,有利于提高表面润湿性,从而增强界面的胶接强度。