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作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的主要承載部分,增強(qiáng)纖維必須具備優(yōu)異的力學(xué)性能,而PBO纖維擁有高分子纖維中最高的拉伸強(qiáng)度(高達(dá)5.8GPa)與模量,在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。然而,PBO纖維表現(xiàn)出強(qiáng)的表面惰性,并且缺乏極性官能團(tuán),這導(dǎo)致其與樹脂基體復(fù)合時(shí)界面處缺陷積累,損害復(fù)合材料綜合性能。

因此,PBO纖維在制備復(fù)合材料之前需對(duì)其進(jìn)行一定程度的預(yù)處理,改善其表面狀態(tài),增強(qiáng)與樹脂基體的結(jié)合性,從而制備出高效性能的復(fù)合材料。然而,PBO纖維的表面改性是極其困難的,其特殊的剛性棒狀分子結(jié)構(gòu)帶來了強(qiáng)的耐腐蝕,同時(shí)光滑表面也不利于活性物質(zhì)在纖維表面的附著。而氧等離子體處理可以通過高能量的氧等離子體轟擊PBO纖維表面,形成粗糙結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生活性氧與懸掛鍵,并且氧等離子體處理后的活性表面更有利于涂層的附著,增加了PBO纖維表面結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性。

等離子處理

等離子體處理作為PBO纖維表面改性的重要手段,其作用機(jī)理源于高能活性粒子對(duì)纖維表層的物理刻蝕與化學(xué)協(xié)同效應(yīng)。在等離子體場中,激發(fā)態(tài)粒子(如電子、離子及自由基)通過動(dòng)能傳遞對(duì)纖維表面進(jìn)行轟擊,一方面通過物理濺射形成納米級(jí)溝壑結(jié)構(gòu)以增大表面粗糙度,另一方面通過化學(xué)鍵斷裂重組在惰性表面引入含氧極性基團(tuán)(如羥基、羧基),從而改善纖維與基體間的界面相容性。該技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在工藝效率高、環(huán)境友好且參數(shù)可控性強(qiáng),通過調(diào)節(jié)放電功率、處理時(shí)長及工作氣體組分(如N2、Ar/O?混合比例),可定向調(diào)控表面拓?fù)湫蚊才c化學(xué)活性。

氧等離子體處理PBO纖維原理

氧等離子體處理PBO纖維的工作原理如圖1-1所示。將樣品至于腔體中,當(dāng)真空室腔體中的氧氣分子在受到足夠的外部電場作用時(shí),電子將獲得足夠的能量進(jìn)入更高的能級(jí),進(jìn)而發(fā)生電離作用產(chǎn)生帶電粒子或亞穩(wěn)態(tài)的粒子。這種電離氣氛能量高于PBO的化學(xué)鍵能,使其在帶電粒子的轟擊下被部分氧化分解,產(chǎn)生氣態(tài)氧化物(如CO2、NO2)。同時(shí),此過程也可以在PBO纖維表面形成含氧官能團(tuán)以及表面微結(jié)構(gòu),從而改善纖維的表面狀態(tài)并提升表面活性,改善了PBO纖維與樹脂基體的界面相容性。

圖1-1 氧等離子體處理PBO纖維示意圖