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碳纖維的基本結(jié)構(gòu)為石墨微纖結(jié)構(gòu),其是由縮合多環(huán)芳烴順沿纖維軸向排列構(gòu)成的石墨片層結(jié)構(gòu),寬度為60~100nm。石墨片層相互堆砌構(gòu)成微纖,由數(shù)個或數(shù)十個微纖組成原纖。原纖彼此堆疊、纏結(jié)形成石墨的網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu),原纖沿著纖維的軸向排列,組成宏觀的碳纖維單絲。

纖維的模量由微纖沿纖維軸向排列的整齊程度決定。高模量的纖維本身石墨微纖沿纖維軸向排列程度比較高,并且有許多原纖扭曲纏繞,相互束縛導(dǎo)致微纖交聯(lián)密度較高的碳纖維,其力學(xué)強度和模量也較高。碳纖維本體結(jié)構(gòu)并不均勻,存在皮-芯之分。碳纖維皮層的石墨晶體尺寸大,沿纖維軸向排列緊密;芯層的微晶結(jié)構(gòu)尺寸小,排列較混亂,空洞較多。因此,碳纖維皮層的模量約為芯層的兩倍,芯層紊亂的結(jié)構(gòu)對碳纖維的力學(xué)性能有一定影響。

碳纖維表面的石墨微晶結(jié)構(gòu)中成鍵的碳原子表現(xiàn)化學(xué)惰性,極性基團僅存在表面的無定形區(qū)、結(jié)構(gòu)不完整的區(qū)域以及晶體點陣的缺陷區(qū)域。導(dǎo)致碳纖維表現(xiàn)化學(xué)惰性,與樹脂基體的浸潤性差,影響其樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。對碳纖維表面進行改性處理,是解決這一問題的關(guān)鍵。表面改性的本質(zhì)是通過改變被膠接件表面狀態(tài),包括去除表面污染物雜質(zhì)、改善表面化學(xué)組分、提高表面自由能、改變表面形態(tài)等,從而提高界面結(jié)合強度。

等離子清洗提高碳纖維復(fù)合材料粘接性能

等離子體清洗是將氧氣、空氣、氬氣、氮氣等氣體電離成原子、分子、離子、電子等含有亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)的物質(zhì),轟擊碳纖維表面,提高碳纖維粗糙度并產(chǎn)生極性基團,改善碳纖維的潤濕性從而增強樹脂在纖維上的附著力。

圖1-1為氧氣等離子體清洗對CFRP粘接界面污染物和化學(xué)基團影響的示意圖,經(jīng)等離子體處理后,激發(fā)的高能活性氧離子打斷了表面殘留物的分子鏈使其電離和激發(fā)成更小的分子鏈,或以C自由基及CO2和H2O等分子形式使其氣化游離出表面,從而有效清除了表層結(jié)構(gòu)中的含碳污染物、水分、灰塵和油脂等,削弱了弱界面層對粘接性能的影響。對于難溶于酒精的含硅污染物,則是形成有機硅向無機硅化物的轉(zhuǎn)換,通過Si-C的大量斷裂,斷裂的Si鍵與激發(fā)的氧離子結(jié)合生成了易于粘接的SiO2顆粒附著在試樣表面。此外,在去除表面污染物的同時,還產(chǎn)生了羥基(-OH)、羰基(C=O)和羧基(O-C=O)等含氧活性官能團?；钚怨倌軋F有助于與粘合劑形成氫鍵和共價鍵,從而產(chǎn)生比范德華相互作用力更強的界面粘合力。這些變化均有助于促進膠粘劑更好的浸潤CFRP表面,有利于CFRP與膠粘劑更好的粘結(jié),促進接頭失效模式由界面失效向內(nèi)聚失效轉(zhuǎn)變,進而提高膠接接頭強度。

圖1.1 氧氣等離子體處理對CFRP粘接界面污染物和化學(xué)基團影響的示意圖

等離子清洗提高粘接性能原理

等離子體清洗技術(shù)改善材料與膠粘劑之間的界面粘接性能主要通過以下三種途徑。首先是表面清洗,等離子體作用于CFRP表面使其產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)變化,利用其中所包含的活性粒子和高能射線,與材料表面有機污染物分子發(fā)生反應(yīng)、碰撞形成小分子揮發(fā)性物質(zhì),從表面移除,實現(xiàn)清潔效果;其次是表面刻蝕,材料界面受等離子體能量轟擊,界面呈現(xiàn)細小孔道,產(chǎn)生毛細效應(yīng),形成凹凸不平或隆起現(xiàn)象,增加膠粘劑與材料粘接表面積;最后是表面活化,等離子氣體電離產(chǎn)生活性粒子,主要是離子、激發(fā)態(tài)的原子、電子和自由基等物質(zhì),產(chǎn)生的活性離子反應(yīng)性強,與界面極性基團發(fā)生作用,界面引入活性種基團,同時發(fā)生植入反應(yīng),引入增加界面元素含量物質(zhì)。

等離子清洗增強碳纖維界面粘接性能示意圖

與其他碳纖維表面改性方法相比,等離子清洗同時具有以下幾個優(yōu)點:

1) 處理效率高,短時間的等離子清洗就能改善碳纖維表面的化學(xué)惰性,提高活性基團占比與粗糙度,改善纖維的浸潤性。

2) 等離子清洗只作用于碳纖維表面幾十或幾百納米內(nèi)的物理化學(xué)性能,不會損傷碳纖維的機械性能。

3) 等離子清洗的過程綠色環(huán)保,無需化學(xué)試劑的參與,處理過程中也無三廢產(chǎn)生。

4)等離子清洗選用不同的反應(yīng)氣氛包括不同的氣體組分比例,會對碳纖維有不同的處理效果。根據(jù)使用環(huán)境的不同,選擇合適的反應(yīng)氣氛可以使復(fù)合材料達到使用性能的要求。由此可見,等離子清洗技術(shù)具有良好的研究前景。