pet縫編碳纖維織物冷等離子體處理對rtm成型浸潤性的影響

1、復 合 材 料 學 報 ACTA M A TERI AE C0M P0S I TA ESI NI CA 第 2 0 卷 Vo I ． 2 0第 5 期 N O ． 51 0 月2 0 0 3年Oc t ob e r2 0 0 3文章 編 號 ：1 0 0 0 — 3 8 5 1 ( 2 0 0 3 ) 0 5 — 0 0 4 9 — 0 4P E T縫編碳纖維織物冷等離子體處理 對 R T M 成型 浸潤性 的影響 秦 偉 ，張志

2、謙 ，王福平，吳曉宏( 1 ． 哈 爾濱 工業(yè) 大學 空 間材料 與環(huán) 境工 程實 驗室 ， 哈爾 濱 1 5 0 0 0 1 ； 2 ． 哈 爾濱 工業(yè) 大學 應(yīng)用 化學 系 ， 哈 爾濱 1 5 0 0 0 1 )摘 要 ：R T M 工藝成型過程中樹脂對纖維增強體 的浸潤是重要的一環(huán) ， 浸潤不好將導致 R T M 成型復合材料 中產(chǎn)生缺陷 ， 這將降低復合材料的界面性能。本文作者采用冷等離子體技術(shù)對 P E T縫編碳纖維織物進

3、行表面處理 ，并采用 A F M 對處理前后的碳纖維表面形貌進行 了分析 。 實驗結(jié)果表明： 冷等離子體處理可以使碳纖維表面活性提 高 ， 從 而改善 R T M 工藝成型過程樹脂對 P E T縫編碳纖維織物 的浸潤性 ， 進而改善 R T M 成型復合材料 的界面性 能 。關(guān)鍵詞 ：冷等離子體技術(shù) ； R T M； P E T縫編碳纖維織物； 表面處理 中圖分 類 號 ： T B 3 3 2文 獻標 識 碼 ： AEFFECToFTH

4、E CoLD PLAS M A TREATM ENT oN THERTM I M PREGNATI oN oFCARB oN FI BERSBRAI DED BY PET QI N We i，Z HANG Z h i q i a n，W ANGF u p i n g， W U Xi a o h o n g( 1 ．S p a c eM a t e r i a l sa n dE n v i r o n me n

5、 tE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r y， Ha r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y， Ha r b i n15 0 0 0 1 ， C h i n a ：2 ． D e p a r t me n to fAp p l i e dC h e mi s t r y ，Ha r b i nI n s t i t u t eo fTe c h

6、 n o l o g y 。 Ha r b i n1 5 0 0 0 1 ， Ch i n a )Ab s t r a c t ： Th ewe a ki mp r e g n a t i o nwi l lr e s u l ti nt h ef o r ma t i o no ft r a p si nt h ec o mp o s i t e sb e c a u s et h ei mp r e g n a t i o no f

7、t h er e s i nt of i b e rr e i n f o r c e me n ti so n eo ft h ema j o rf a c t o r sd u r i n gt h ef i l l i n gp r o c e s so fRTM ．I twi l ld e g r a d ei nt e r r a c i a lp e r f o r ma n c eo ft h ec o mp o s i

8、t e s ． I nt h i sp a p e r ，c o l dp l a s mat e c hn o l o g yi su s e dt ot r e a tt h es u r f a c eo fc a r b o nf i b e r sb r a i d e db yP ET a n dt h es u r f a c emi —c r o s t r u c t u r eo ft h ec a r b o n

9、f i b e ri Sa n a l y z e db yAFM ．Th er e s ul ts h o wst ha tc o l dp l a s mat r e a t —me n ti mp r o v e st h es u r f a c ep o l a r i t yo ft h ec a r b o nf i b e r ，wh i c he n h a n c e st h ei mp r e g n a t i

10、 o no ft h ec a r b o nf i b e rb r a i d e db yPET d u r i n gt h er e s i nf l o wi n gp r o c e s sa n di mp r o v e st h ei n t e r f a c i a lp r o p e r —t i e so fRTM c o mp o s i t e s ．Ke ywo r d s：c o l dp l

11、a s mat e c hn o l o g y；RTM ；c a r b o nf i b e rb r a i d e db yPET ；s u r f a c et r e a t me n tR T M 工藝 以其環(huán) 境污 染小 ， 生 產(chǎn)效 率高 ， 設(shè) 備 簡單及模 具投 資少 ， 大型 復雜 結(jié)構(gòu)制 品 可一 次成 型 等特點 ， 在 國 內(nèi)外得 到越來 越廣泛 的應(yīng) 用 ¨ 。R T M 工 藝是將 樹脂 體

12、 系在一 定 的壓力 下 ， 注 入預 先鋪放 好纖 維增 強體 的 閉合模 腔 內(nèi) ， 樹 脂 在模腔 內(nèi)浸潤纖 維 增強 材料后 固化 成型 。R T M 工藝 成 型過程 中樹 脂對纖 維增強 體的浸潤是重 要 的一環(huán) 。 由于在成 型 過 程 中空氣 不 易排 盡 ， 因而易 使 R T M 成 型復 合材 收稿 日期 ：基 金項 目：作者 介紹 ：通 訊作者 ：料 中產(chǎn)生缺 陷 ， 特別 是在纖維復合 材料 中( 縫編增強 體

13、 ， 編 織增 強體 ) 尤 為 明顯 ， 這將 大大 降低 復合 材料 的性 能[ 1 ] 。因而提高成型過 程 中樹脂 對纖維 增強體 的浸 潤性 非常重 要 。為了提 高 R T M 成型過 程 中樹脂 對纖維 增強體 的浸 潤性 ， 學者們做 了大量 的工作 ] 。 對纖 維表面進 行 處理 ， 可 以改善 R T M 成 型過 程 中樹 脂 對纖 維增 強 體的浸潤效果 。纖維表 面處理方法有 化學方法 和 物理 方法 。為

14、適應(yīng) 節(jié)約能 源 、 減少 環(huán)境污染 的要求 ，2 0 0 2 — 0 5 — 15 ，收修 改稿 日期 ： 2 0 0 3 — 0 3 — 2 3國家 自然科 學基金 重 點資 助項 目( 5 9 8 3 3 1 1 0 )秦 偉 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 博士后， 研究方向： 先進復合材料成型、 改性及其在空間環(huán)境中的評價和防護研究 。秦 偉 ， E — m a i l ： w x h q w@2 6 3 ． n e

15、t維普資訊 http://www.cqvip.com 秦 偉， 等 tP E T齄 編碳 纖維織 物冷 等離于體處理 對 R T M 成型橙 璃性 的影響相對比較光滑， 存在著少量的溝槽 和突起 。從圖 2( b ) 可 以看 出； 經(jīng)冷等離子體處理 后的碳纖 維表面 粗糙度增加 ， 出現(xiàn)了較深的溝槽。 表面淘槽的出現(xiàn)意 味著碳纖維 比表面積增加 ， 纖維與樹脂基體的機械 絞合點增加 。2 ． 3 冷等 離子 處理 對 R TM 成 型

16、浸 潤性 的影 響 本實驗 的模具上模是透明的， 采用 C C D對充模 過程進行實時采集． 來研究冷等離子體處理對浸潤 性的影響。圖 3 為充模時間為 2 0s 時 ， 冷等離子體 處理前后 R T M 充模過程 中樹脂的實際流動圖形 ，其中陰影部分為樹脂。 圖 3 可以看 出： 經(jīng)冷等離子體 處理 5r a i n之前 樹脂充模面積增加較快 ； 冷等離子 體處理 5m i n比未處理的， 程潤面積提高 1 ． 6 倍 ； 當冷等離子

17、體處理 5m [ n以后 ． 充模面積增加較緩， 這 說明冷等離子體處理提高了 R T M 成型過程中樹脂 對纖維增強體的浸潤性。 由于在 R T M 成型工藝中．樹脂浸潤纖維 的過程是固一 氣界 面被固一 液界面所取 代的過程， 這個過程的難 易程度取決于碳纖維表面 性質(zhì)即樹脂對碳纖維的浸潤性 。由于冷等離子體處 理使碳纖維表面活性增加 ， 因而在 R T M 工藝中， 使 樹脂對纖維增強體 的浸潤性能改善。當 5r a i n以前

18、碳纖維表面活性增加較快 ， 因而浸潤性改善顯著； 而 當時間進一步增加 ． 由于碳纖維表面活性增加緩慢 ，因而浸潤性改善也變得緩慢 。( B ) Un t r e a t e d ；( b )l mi nF( c )5 mi nf( d )7 r ai n圖 3蹄等離子體處理 時間對 樹脂充模 的影 響F i g ． 3E fe c to fc o l dp l a s m at r e a t i T ~l l to nt h er

19、e s i nf i l l i n gmo u l d2 ． 4 冷等 離子 處理 對 復合材 料 I L S S的影 響 圖 4 為冷等離子體處理對復合材料層問剪切強 度的影響。由圖 4可見 ， 當處理時間小于 5m i n時，隨處理時間的延長， 復合材料的 I IS S不斷增大； 在 5m i n時， I L S S達 到 5 9MP a ， 比未 處理 時提高 了18{ 當處理時間繼續(xù)延長， 復合材料的 I L S S反而 降低

20、 。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象 的主要原因是 ： 當處理時間小于 5mi n 時， 隨著處理時間的延長 ， 碳纖維表面不斷受 到刻蝕作用 ， 一方面使碳纖維表面石 墨微晶邊緣 活性碳原子數(shù)增加 ， 碳纖維表面活性提高， 表面極性增 大 ， 使碳纖維與樹脂基體的浸潤性提高} 另一方面使 碳纖維表面溝槽增多 ， 比表面增大， 增加了碳纖維與 樹脂基體的機械絞合點。因而使碳纖維與基體樹脂 問的浸潤性和牯接性提高， 使復合材料的界面強度提高。當處理時間進一

21、步延長時 ， 授潤性改善不明顯 ， 而表層纖維表面受到過度的冷等離子體刻蝕 ， 纖 維表面活性劣化 ， 因而使復合材料界面強度下降。圖 4 拎等離子處理時間對復合材辯 I I J s s的影響 F i g ． 4E f e e eo r “ c o l dp l a s m at T e a t me D ． tt i meo Ⅱ c o mp o s i t eI L S S3 結(jié) 論 ( 1 )冷等離子體處理使碳纖維 的表面 活性增

22、 加， 尤 其是表 面極性部 分． 由 2 ． 2 3m N／ m 提高 到 9 ． 4 9m N ／ m+ 提高了 3 倍 ， 因而使 R T M 成型的浸潤 性提 高 。( 2 ) 冷等離子體處理前后碳纖維表 面 A F M 分 析可 以看 出； 碳纖維表面 粗糙 度增 加， 比表面積增 加 。( 3 )冷等離子體處理使 R T M 成型過程 中， 樹 脂對纖維增強體的浸潤性明顯改善 ， 在 5r ai n時覆 潤面積提高 1 ．