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等離子體處理對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料粘接性能的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠(chǎng)家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-10-18
樹(shù)脂基復(fù)合材料具有良好的工程性能，如比強(qiáng)度、比剛度高，耐久性強(qiáng)等，在汽車(chē)工業(yè)、海洋船舶工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著樹(shù)脂基復(fù)合材料的廣泛使用以及復(fù)合材料表面各種功能涂層的大量使用，對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的表面性能提出了更高的要求。由于樹(shù)脂基復(fù)合材料表面惰性強(qiáng)，潤(rùn)濕性差，表面自由能低，導(dǎo)致其粘接強(qiáng)度或涂層附著力不高，通常在粘涂之前對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，提高其粘接強(qiáng)度。傳統(tǒng)的對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料表面處理的方法主要是機(jī)械打磨法，該方法具有操作簡(jiǎn)便、綠色無(wú)污染、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其處理的質(zhì)量難以控制，可能對(duì)復(fù)合材料基體或增強(qiáng)纖維造成損傷，且重現(xiàn)性差。
等離子體處理機(jī)
低溫等離子體中包含大量電子、離子、分子、激發(fā)態(tài)原子等活性粒子，具有激發(fā)溫度低、產(chǎn)生的活性粒子濃度高、操作簡(jiǎn)便、效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料表面處理等領(lǐng)域。

等離子體處理對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料表面性能的影響


接觸角與表面能

圖1為樹(shù)脂基復(fù)合材料處理前后水接觸角，可以看出經(jīng)過(guò)開(kāi)放式低溫等離子體處理后，樹(shù)脂基復(fù)合材料表面的水接觸角明顯減小，潤(rùn)濕性增加。
樹(shù)脂基復(fù)合材料等離子體處理前后表面水接觸角
圖一 樹(shù)脂基復(fù)合材料等離子體處理前后表面水接觸角(a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理
表面微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡分析開(kāi)放式低溫等離子體處理前后樹(shù)脂基復(fù)合材料表面的微觀形貌與表面粗糙度。圖2為處理前后復(fù)合材料的SEM圖，可以看出經(jīng)過(guò)開(kāi)放式低溫等離子體處理后復(fù)合材料表面微觀形貌發(fā)生變化，未處理試樣表面較為光滑，處理后的試樣表面有些許的碳纖維裸露在表面，且碳纖維表面無(wú)損傷，如圖2(b)中紅色矩形框所示，試樣表面樹(shù)脂發(fā)生了刻蝕。圖2(b)SEM圖中試樣表面些許白色物質(zhì)為材料制備時(shí)加入的增強(qiáng)物質(zhì)，其成分為Ca元素，等離子體對(duì)試樣表面處理后，表層樹(shù)脂被汽化，增強(qiáng)物質(zhì)未被汽化留在了試樣表面。采用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣處理前后的三維形貌如圖3所示，可以看出低溫等離子體處理后的試樣表面粗糙度明顯增加，通過(guò)粗糙度測(cè)量得到未處理時(shí)粗糙度為0.87μm，處理后試樣表面粗糙度為3.05μm，粗糙度增加了約2.5倍。根據(jù)機(jī)械結(jié)合理論，粗糙度的增加有利于增加粘接時(shí)膠黏劑與基體的粘接面積，有利于粘接強(qiáng)度的提高。
低溫等離子體處理前后樹(shù)脂基復(fù)合材料表面SEM 圖
圖二 低溫等離子體處理前后樹(shù)脂基復(fù)合材料表面SEM 圖  (a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理
復(fù)合材料表面三維形貌圖 (a)未處理(b)低溫等離子體處理
圖三 復(fù)合材料表面三維形貌圖 (a)未處理(b)低溫等離子體處理
低溫等離子體處理后的復(fù)合材料表面活性基團(tuán)的數(shù)量明顯增加。氧元素含量的增加以含氧官能團(tuán)的形式存在，根據(jù)化學(xué)鍵理論，含氧官能團(tuán)增加有利于粘接時(shí)形成化學(xué)鍵結(jié)合，有利于粘接強(qiáng)度的提高。

樹(shù)脂基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)開(kāi)放式低溫等離子體處理后，表面化學(xué)成分發(fā)生變化，表現(xiàn)在表面氧元素含量大大增加，碳含量相對(duì)減少，氧碳比增加；氧元素主要以含氧活性官能團(tuán)的形式存在，表面極性官能團(tuán)種類(lèi)與數(shù)量增加，根據(jù)化學(xué)鍵理論，含氧官能團(tuán)增加有利于粘接時(shí)膠黏劑與材料界面處形成化學(xué)鍵，有利于粘接強(qiáng)度的提高。

樹(shù)脂基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)低溫等離子體處理后，表面潤(rùn)濕性與表面能增加、表面粗糙度提高、表面極性基團(tuán)數(shù)量增加，共同作用導(dǎo)致粘接強(qiáng)度提高。
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