碳纤维等离子体表面处理

碳纤维因其具有高的比模量和比强度、良好导电性、耐腐蚀性以及较低的线性热膨胀系数被作为增强相大量的应用于聚合物复合材料。特别是航天航空以及交通运输部门，越来越多的使用碳纤维代替金属来减轻飞行器和交通运输工具的重量，提高其燃料效率和动力学性能。然而，碳纤维由于表面边缘活性碳原子少和表面能较低，表现出惰性的特点，并且与树脂基体的润湿性差，在生产碳纤维复合材料过程中产生的内部孔隙也会导致纤维和基体之间界面不连续，这些都会对复合材料的力学性能造成不利影响，尤其对界面剪切，层间剪切、抗冲击等性能。因此，提高碳纤维和基体的结合度，充分发挥碳纤维优异性能，对于提升复合材料的性能具有重大的意义。

等离子体表面处理法是利用电化学放电或者高频率的电磁波震荡产生的高能量离子体（电子、离子、中性粒子）来轰击纤维表面对碳纤维进行表面处理。一方面，高能量的粒子轰击纤维表面导致了纤维分子的激发、电离、和化学键断裂，在纤维表面上产生各种极性基团和自由基，提高了纤维表面的润湿性，从而增加了树脂在纤维表面的粘附性。另一方面，高能量的电子通过加速较低温度的活性离子引起了溅射效应，可以清除纤维表面杂质，使得纤维表面粗化，在纤维和树脂基体之间形成机械联锁。氧等离子体处理还可以提高碳纤维表面含氧基团的浓度，改善纤维表面的粗糙度。等离子处理法仅仅通过改变纤维表层的化学和物理结构来提高纤维表面和基体间的粘结能力，而不会对纤维本体的大部分力学性能造成改变。

碳纤维和基体良好的浸润性能是二者形成紧密界面的首要条件。碳纤维的直径、粗糙度以及表面能都会对纤维的浸润性有影响，其中表面粗糙度和表面能对浸润性影响最为显著。纤维表面能大于基体的表面张力是基体能够在纤维表面形成有效浸润的前提。

碳纤维的表面结构是影响碳纤维表面浸润性的重要因素，适当的极性表面更有利于提高碳纤维和基体的结合。研究发现等离子处理能够提高碳纤维表面极性基团的数量，使得碳纤维表面能相比未处理的碳纤维表面能增加一倍，与水的接触角也大幅减少，能够明显改善碳纤维对水的浸润能力。

采用离子体处理后的碳纤维，各种官能团（羟基、醚、羰基）被引入到纤维表面，这些官能团提高了碳纤维的表面活性和附着力，同时也增加了纤维表面的湿润性和与亲水聚合基体物理界面的结合，进而提高了纤维和基体界面的粘结强度。

综上所述，等离子体表面处理后的碳纤维作为增强相的复合材料，由于纤维改性提高了碳纤维表面的活性、浸润性和粗糙程度，从而增加了纤维与基体的粘结和锚定。