等離子體改性PAN基碳纖維-聚酰亞胺界面強(qiáng)度的研究.pdf

1、碳纖維是制作高性能纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料經(jīng)常使用的一種無機(jī)纖維。碳纖維具有一系列的優(yōu)異性能，如低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕和良好的機(jī)械減震性能等。然而，碳纖維的表面為非極性的高度結(jié)晶的石墨基板結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)較高的反應(yīng)惰性。當(dāng)碳纖維與樹脂結(jié)合形成復(fù)合材料后，兩者界面結(jié)合強(qiáng)度較弱，復(fù)合材料的優(yōu)異性能難以得到發(fā)揮。正是由于界面對碳纖維復(fù)合材料性能的發(fā)揮起著非常重要的作用，所以，通過對碳纖維表面進(jìn)行處理，提高界面粘接強(qiáng)度，對改善碳纖

2、維復(fù)合材料力學(xué)性能具有重要意義。
　　 碳纖維表面處理的方法有等離子體處理、氣相氧化、液相氧化、電化學(xué)氧化、偶聯(lián)劑涂層等。常壓等離子體處理具有清潔環(huán)保、省時高效、對纖維損傷小、適于連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用常壓等離子體處理碳纖維，改善碳纖維表面性能，以提高纖維與樹脂間的界面粘接強(qiáng)度，同時研究常壓等離子體表面處理對碳纖維力學(xué)性能的影響。碳纖維的力學(xué)性能采用單纖維拉伸測試來進(jìn)行評價。對高度離散的碳纖維強(qiáng)力數(shù)據(jù)，采用Weibull理論

3、進(jìn)行分析，通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理得到簡化的兩參數(shù)Weibull分布的形狀參數(shù)（Weibull模數(shù)）和尺寸參數(shù)。采用聚酰亞胺樹脂作為復(fù)合材料基體。采用單纖維復(fù)合材料(SingleFilamentComposite，SFC)的方法來表征碳纖維與聚酰亞胺的界面強(qiáng)度，研究常壓等離子體處理對界面強(qiáng)度的改善效果。采用掃描電子顯微鏡SEM、原子力顯微鏡AFM來研究纖維表面的形貌變化，采用X射線光電子能譜XPS技術(shù)來分析表面元素的變化，根據(jù)接觸角來計算表

4、面能的變化，通過以上測試技術(shù)來探究碳纖維改性機(jī)理。
　　 研究結(jié)果表明:在四種不同處理時間下，碳纖維表面的He/O2常壓等離子體處理對纖維強(qiáng)力的負(fù)面影響不顯著;經(jīng)常壓等離子體處理16s和32s后，碳纖維和聚酰亞胺基體間的界面剪切強(qiáng)度分別為86.15MPa和92.57MPa，分別比未經(jīng)處理的碳纖維與聚酰亞胺基體的界面剪切強(qiáng)度提高了12.4％和20.7％。
　　 使用SEM觀察纖維的表面形貌，結(jié)果顯示等離子體處理后，纖維表面

5、沉積物減少，可有效防止弱界面層的產(chǎn)生;分析AFM測試中得到的纖維表面的一系列粗糙度指標(biāo)可知，經(jīng)過等離子體處理后，平均粗糙度提高了38.4％以上，但過長的處理時間不能使纖維的表面粗糙度進(jìn)一步增加;用接觸角數(shù)據(jù)計算纖維的表面能，經(jīng)等離子體處理16s后，纖維的表面能提高了10％以上;He/O2常壓等離子體處理使纖維表面的氧元素含量和含氧基團(tuán)的數(shù)量增加，為纖維和基體之間的有效結(jié)合提供了更多的反應(yīng)性基團(tuán)和活性位置。
　　 通過本課題的研究