等离子体改性PAN基碳纤维/聚酰亚胺界面强度的研究
碳纤维是制作高性能纤维增强聚合物基复合材料经常使用的一种无机纤维。碳纤维具有一系列的优异性能，如低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀和良好的机械减震性能等。然而，碳纤维的表面为非极性的高度结晶的石墨基板结构，呈现较高的反应惰性。当碳纤维与树脂结合形成复合材料后，两者界面结合强度较弱，复合材料的优异性能难以得到发挥。正是由于界面对碳纤维复合材料性能的发挥起着非常重要的作用，所以，通过对碳纤维表面进行处理，提高界面粘接强度，对改善碳纤维复合材料力学性能具有重要意义。
碳纤维表面处理的方法有等离子体处理、气相氧化、液相氧化、电化学氧化、偶联剂涂层等。常压等离子体处理具有清洁环保、省时高效、对纤维损伤小、适于连续化生产等优点。本文采用常压等离子体处理碳纤维，改善碳纤维表面性能，以提高纤维与树脂间的界面粘接强度，同时研究常压等离子体表面处理对碳纤维力学性能的影响。碳纤维的力学性能采用单纤维拉伸测试来进行评价。对高度离散的碳纤维强力数据，采用Weibull理论进行分析，通过对数据的统计处理得到简化的两参数Weibull分布的形状参数（Weibull模数）和尺寸参数。采用聚酰亚胺树脂作为复合材料基体。采用单纤维复合材料(SingleFilamentComposite，SFC)的方法来表征碳纤维与聚酰亚胺的界面强度，研究常压等离子体处理对界面强度的改善效果。采用扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM来研究纤维表面的形貌变化，采用X射线光电子能谱XPS技术来分析表面元素的变化，根据接触角来计算表面能的变化，通过以上测试技术来探究碳纤维改性机理。
研究结果表明:在四种不同处理时间下，碳纤维表面的He/O2常压等离子体处理对纤维强力的负面影响不显著;经常压等离子体处理16s和32s后，碳纤维和聚酰亚胺基体间的界面剪切强度分别为86.15MPa和92.57MPa，分别比未经处理的碳纤维与聚酰亚胺基体的界面剪切强度提高了12.4％和20.7％。
使用SEM观察纤维的表面形貌，结果显示等离子体处理后，纤维表面沉积物减少，可有效防止弱界面层的产生;分析AFM测试中得到的纤维表面的一系列粗糙度指标可知，经过等离子体处理后，平均粗糙度提高了38.4％以上，但过长的处理时间不能使纤维的表面粗糙度进一步增加;用接触角数据计算纤维的表面能，经等离子体处理16s后，纤维的表面能提高了10％以上;He/O2常压等离子体处理使纤维表面的氧元素含量和含氧基团的数量增加，为纤维和基体之间的有效结合提供了更多的反应性基团和活性位置。
通过本课题的研究分析，对常压等离子体的碳纤维复合材料界面改性机理有了深入了解，得出了常压等离子体表面处理的规律，对以后更加深入的理论研究打下了良好基础。
碳纤维;聚酰亚胺;界面改性;等离子体;力学性能
东华大学
硕士
纺织材料与纺织品设计
邱夷平
2011
中文
TS102.43
73
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）