常壓等離子體對碳纖維的表面改性及其放電過程的數(shù)值模擬.pdf

1、常壓等離子體近幾十年來發(fā)展迅速。由于它不需要真空，可以連續(xù)處理，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，引起了人們的廣泛關(guān)注。特別是在材料表面改性方面，大氣壓等離子體處理不僅可以使材料表面變粗糙，并且可以引入羥基(-OH)，羰基(-C=O)等親水基團，從而提高材料的表面能，改善材料表面的潤濕性和粘結(jié)性。
　　 碳纖維由于具有高強度、高模量、耐疲勞等優(yōu)異性能，碳纖維及其增強復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、武器制造、汽車部件等眾多領(lǐng)域。沒有經(jīng)過表面處理

2、的碳纖維由于本身表面活性低而制約了它在復(fù)合材料上的應(yīng)用。本論文研究了常等離子體表面處理碳纖維的特性，并模擬了其放電物理。
　　 本文首先利用實驗室自行研發(fā)設(shè)計的同軸管狀大氣壓等離子體纖維處理裝置(PLA-PLA)進行放電實驗，通過對等離子體的電學參數(shù)分析和發(fā)射光譜診斷，研究在不同電源功率和氣體組分條件下等離子體的狀態(tài)，結(jié)果表明，放電主要是由一些極細的放電絲組成，隨著電源頻率的增大，放電細絲開始逐漸集中。根據(jù)發(fā)射光譜數(shù)據(jù)分析，其中

3、存在著大量的活性粒子和自由基，如Ar、OH和O，這些活性粒子和自由基的強度隨著放電功率的增加而增強。而氧氣的加入會使發(fā)射光譜的強度降低。
　　 然后用此大氣壓等離子體裝置處理了PAN基碳纖維，并對處理參數(shù)如氬/氧氣體比例、功率和處理時間進行了研究。通過掃描電子顯微鏡研究了碳纖維微觀的形貌的變化。通過紅外吸收光光譜和X光電子能譜對碳纖維的表面化學組成進行了研究。通過接觸角測試與力學性能測試研究了碳纖維表面親水性變化與機械性能的變化

4、。結(jié)果表明，隨著等離子體放電功率的加大和處理時間的加長，碳纖維表面會接入大量的含氧極性官能團，而其表面被刻蝕出的微小凹坑也會增多。氬/氧混合氣體能更好的使碳纖維表面接入極性官能團。但是處理時間過長，會由于刻蝕作用而導(dǎo)致碳纖維的斷裂強度的減小，所以一定要控制處理的時間，以免對碳纖維有太大的損傷。
　　 最后，本文建立了一維放電模型，對氬等離子體的放電進行模擬，結(jié)果表面而電子密度隨著頻率的升高而升高，此結(jié)果與實驗的結(jié)果研究對比表明，