等離子體處理對樹脂基復合材料粘接性能的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-10-18

樹脂基復合材料具有良好的工程性能，如比強度、比剛度高，耐久性強等，在汽車工業(yè)、海洋船舶工業(yè)、航空航天等領域中得到了廣泛的應用。隨著樹脂基復合材料的廣泛使用以及復合材料表面各種功能涂層的大量使用，對樹脂基復合材料的表面性能提出了更高的要求。由于樹脂基復合材料表面惰性強，潤濕性差，表面自由能低，導致其粘接強度或涂層附著力不高，通常在粘涂之前對樹脂基復合材料進行表面處理，提高其粘接強度。傳統(tǒng)的對樹脂基復合材料表面處理的方法主要是機械打磨法，該方法具有操作簡便、綠色無污染、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但是其處理的質(zhì)量難以控制，可能對復合材料基體或增強纖維造成損傷，且重現(xiàn)性差。

低溫等離子體中包含大量電子、離子、分子、激發(fā)態(tài)原子等活性粒子，具有激發(fā)溫度低、產(chǎn)生的活性粒子濃度高、操作簡便、效率高、無污染等優(yōu)點，被廣泛應用于材料表面處理等領域。

等離子體處理對樹脂基復合材料表面性能的影響

接觸角與表面能

圖1為樹脂基復合材料處理前后水接觸角，可以看出經(jīng)過開放式低溫等離子體處理后，樹脂基復合材料表面的水接觸角明顯減小，潤濕性增加。

圖一樹脂基復合材料等離子體處理前后表面水接觸角(a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理

表面微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡分析開放式低溫等離子體處理前后樹脂基復合材料表面的微觀形貌與表面粗糙度。圖2為處理前后復合材料的SEM圖，可以看出經(jīng)過開放式低溫等離子體處理后復合材料表面微觀形貌發(fā)生變化，未處理試樣表面較為光滑，處理后的試樣表面有些許的碳纖維裸露在表面，且碳纖維表面無損傷，如圖2(b)中紅色矩形框所示，試樣表面樹脂發(fā)生了刻蝕。圖2(b)SEM圖中試樣表面些許白色物質(zhì)為材料制備時加入的增強物質(zhì)，其成分為Ca元素，等離子體對試樣表面處理后，表層樹脂被汽化，增強物質(zhì)未被汽化留在了試樣表面。采用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣處理前后的三維形貌如圖3所示，可以看出低溫等離子體處理后的試樣表面粗糙度明顯增加，通過粗糙度測量得到未處理時粗糙度為0.87μm，處理后試樣表面粗糙度為3.05μm，粗糙度增加了約2.5倍。根據(jù)機械結合理論，粗糙度的增加有利于增加粘接時膠黏劑與基體的粘接面積，有利于粘接強度的提高。

圖二低溫等離子體處理前后樹脂基復合材料表面SEM 圖 (a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理

圖三復合材料表面三維形貌圖 (a)未處理(b)低溫等離子體處理

低溫等離子體處理后的復合材料表面活性基團的數(shù)量明顯增加。氧元素含量的增加以含氧官能團的形式存在，根據(jù)化學鍵理論，含氧官能團增加有利于粘接時形成化學鍵結合，有利于粘接強度的提高。

樹脂基復合材料經(jīng)過開放式低溫等離子體處理后，表面化學成分發(fā)生變化，表現(xiàn)在表面氧元素含量大大增加，碳含量相對減少，氧碳比增加；氧元素主要以含氧活性官能團的形式存在，表面極性官能團種類與數(shù)量增加，根據(jù)化學鍵理論，含氧官能團增加有利于粘接時膠黏劑與材料界面處形成化學鍵，有利于粘接強度的提高。

樹脂基復合材料經(jīng)過低溫等離子體處理后，表面潤濕性與表面能增加、表面粗糙度提高、表面極性基團數(shù)量增加，共同作用導致粘接強度提高。