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等離子體處理工藝對汽車碳纖維表面改性的影響

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：2022-09-06
碳纖維是含碳量95%以上的特種纖維。采用腈綸絲（PAN）等含碳的有機纖維，在惰性氣體氛圍中，施以一定的張力、壓強和溫度，經(jīng)預(yù)氧化、碳化和石墨化等過程制得。碳纖維為石墨平面網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，如圖所示1-1所示。平面網(wǎng)層中的C原子由共價鍵相連，其結(jié)合力要遠(yuǎn)大于平面網(wǎng)層間范德華力。故制備碳纖維常采用較高的熱處理溫度并施加合適的張力，以保證石墨平面網(wǎng)層與纖維軸向趨于平行，使纖維受到的外力更多地作用在相互平行的石墨平面網(wǎng)層上，當(dāng)碳纖維受到拉力作用時不易發(fā)生斷裂。因此，碳纖維具有較高的強度和模量，其抗拉強度是鋼材的4-5倍，比強度是鋼材的10倍，且密度很小，僅為1.5-2g/cm3，相當(dāng)于鋼材密度的1/5、鋁合金密度的1/2。碳纖維的熱膨脹系數(shù)小，能夠耐高溫和低溫，耐驟冷和急熱。碳纖維耐酸性能也很好，能耐濃酸腐蝕。此外，碳纖維還具有降噪、減震等優(yōu)異性能。
 圖 1-1 碳纖維石墨平面網(wǎng)層結(jié)構(gòu)
圖  1-1  碳纖維石墨平面網(wǎng)層結(jié)構(gòu) 
正是由于碳纖維上述眾多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，并兼具紡織纖維柔軟易于加工性，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，助力實現(xiàn)汽車輕量化。根據(jù)2018全球碳纖維復(fù)合材料市場報告，碳纖維在汽車領(lǐng)域的需求量很大，市場份額占比11.7%，2018年需求量為10800噸，較2017年增長10.2%。寶馬2018年年報數(shù)據(jù)顯示，BMWi3電動車銷量同比增長10.6%，該電動車的坐艙全部采用碳纖維復(fù)合材料，使整個座艙減重達(dá)50%，其車身覆蓋件也部分采用碳纖維復(fù)合材料，使整車質(zhì)量降到1.25t以下。此外，大眾、奔馳、雪鐵龍等多家汽車公司也在不斷研發(fā)應(yīng)用于車身、座椅、底盤、傳動軸等重要部件的車用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維有望成為實現(xiàn)汽車輕量化的重要材料。

碳纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料在汽車制造領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，但碳纖維與熱塑性樹脂之間的粘結(jié)性能不佳，這將嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能。為改善碳纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料的界面性能，需要對碳纖維或熱塑性樹脂進(jìn)行改性，碳纖維表面處理的方法很多，其中低溫等離子體技術(shù)是一種新的材料表面處理技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)是一種干式工藝，具有節(jié)能、無公害、處理時間短、效率高以及能滿足環(huán)境保護(hù)要求等優(yōu)點。

等離子處理改性碳纖維原理：

其原理包括兩方面如圖1-2所示：一是等離子體中存在高能（幾十電子伏特）的帶電粒子、紫外光及亞穩(wěn)態(tài)粒子轟擊纖維表面，導(dǎo)致纖維分子激發(fā)、電離、化學(xué)鍵斷裂與重組等發(fā)生，一定時間后在纖維表面形成大量自由基和活性基團(tuán)等新的化學(xué)結(jié)構(gòu)；二是等離子體中的高能量電子可以加速較低溫度的活性粒子，使其在纖維表面引起濺射反應(yīng)，清除纖維表面雜質(zhì)，刻蝕纖維表面，導(dǎo)致纖維表面粗糙度增大并產(chǎn)生溝槽，增加了纖維與樹脂的接觸面積，進(jìn)而增強了兩相之間的界面粘結(jié)強度。
等離子處理碳纖維原理
圖1-2 等離子處理碳纖維原理

水滴角測試等離子體對碳纖維表面潤濕性的影響

碳纖維表面呈現(xiàn)非極性的特點。碳纖維表面處理的目的是改變碳纖維表面的極性和形貌，增強碳纖維與樹脂之間的界面性能。水是一種極性材料，采用水來表征碳纖維表面處理后的效果，從宏觀上可以直接對比出碳纖維表面處理前后的效果。如圖1所示，采用水滴角測試儀檢測碳纖維表面水滴角對比。本試驗對比觀察了經(jīng)過低溫等離子體處理前后的碳纖維表面的極性狀態(tài)。試驗結(jié)果顯示：未經(jīng)過表面處理的碳纖維與水幾乎不發(fā)生浸潤，說明未經(jīng)過低溫等離子表面處理的碳纖維表面惰性很強，與強極性的水不發(fā)生潤濕，碳纖維表面呈現(xiàn)非極性；經(jīng)過低溫等離子體處理的碳纖維與水的潤濕性好，說明碳纖維經(jīng)過低溫等離子體表面處理后，其表面發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)，宏觀上碳纖維表面呈現(xiàn)出極性。未經(jīng)過表面處理的碳纖維，表面呈現(xiàn)出憎水的現(xiàn)象，與水潤濕性差，使其很難與其他極性材料良好結(jié)合充分發(fā)揮出碳纖維的特性，達(dá)到復(fù)合材料最優(yōu)的性能；經(jīng)過低溫等離子體處理后的碳纖維表面呈現(xiàn)出極性，能更加充分地發(fā)揮碳纖維的特性，提高碳纖維復(fù)合材料的性能。
低壓等離子體處理前后碳纖維表面浸潤形貌
不同工藝參數(shù)低壓等離子體處理前后碳纖維表面浸潤形貌

等離子處理碳纖維表面的形貌分析

低溫等離子體轟擊材料表面時，通常會改變材料的表面狀態(tài)，通常情況下，等離子體作用于材料表面，會在微觀結(jié)構(gòu)上對材料表面進(jìn)行修飾，對材料表面結(jié)構(gòu)薄弱的部分進(jìn)行刻蝕，斷開材料表面的價鍵，形成一些新的官能團(tuán)等。對不同處理時間低溫等離子體處理的碳纖維表面形貌進(jìn)行了觀察，經(jīng)過表面處理的碳纖維形貌如圖2所示。低溫等離子體處理碳纖維表面，會產(chǎn)生明顯的清潔效果，即經(jīng)過處理后，纖維表面附著物以及他凸起 物都會明顯消除，纖維表面更加光滑。但長時間的低 溫等離子體處理，也會造成一定程度的表面刻蝕，使 碳纖維表面粗糙度增加。
不同等離子處理時間對碳纖維表面的影響
不同等離子處理時間碳纖維表面的形貌
 

等離子處理碳纖維XPS測試結(jié)果

經(jīng)過前述的滴水試驗可知，碳纖維經(jīng)過低溫等離子體表面處理后，表面呈現(xiàn)出親水性。SEM觀察發(fā)現(xiàn)碳纖維表面經(jīng)過低溫等離子體處理后，表面刻蝕作用明顯，但是碳纖維表面的極性是否是由于碳纖維表面生成了極性的官能團(tuán)，這需要進(jìn)一步驗證。采用XPS對經(jīng)過低溫等離子體處理和陽極氧化法處理的碳纖維表面進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖3所示，不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過低溫等離子體表面處理的碳纖維樣品表面極性官能團(tuán)總含量為17.1%。
等離子處理碳纖維表面的XPS測試結(jié)果
等離子處理后碳纖維表面XPS測試結(jié)果
本文由國產(chǎn)等離子清洗機廠家納恩科技整理編輯。汽車的安全性能是汽車設(shè)計與制造首先要考慮的重要性能，需要制造材料具備優(yōu)異的力學(xué)性能以滿足汽車較高的安全性能要求。對復(fù)合材料而言，纖維增強體與樹脂基體間良好的界面性能是其力學(xué)性能的重要保障。然而，碳纖維由于表面較為光滑且呈現(xiàn)化學(xué)惰性，較難與熱塑性樹脂形成牢固的結(jié)合。因此，在制備復(fù)合材料前需要對碳纖維進(jìn)行表面改性，以增加其與樹脂的結(jié)合牢度。與其他處理方式相比，等離子體處理能夠在幾乎不損害材料本身性能的前提下，增加纖維表面粗糙度和表面極性，且效率非常高，能夠在短短幾秒到幾分鐘內(nèi)獲得滿意的處理效果，等離子體處理屬于干法改性，改性過程中不使用也不產(chǎn)生任何化學(xué)物質(zhì)，不會造成環(huán)境污染。因此，等離子處理是一種較為理想的碳纖維表面改性方式。
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