等离子体处理工艺对汽车碳纤维表面改性的影响

碳纤维是含碳量95%以上的特种纤维。采用腈纶丝（PAN）等含碳的有机纤维，在惰性气体氛围中，施以一定的张力、压强和温度，经预氧化、碳化和石墨化等过程制得。碳纤维为石墨平面网层结构，如图所示1-1所示。平面网层中的C原子由共价键相连，其结合力要远大于平面网层间范德华力。故制备碳纤维常采用较高的热处理温度并施加合适的张力，以保证石墨平面网层与纤维轴向趋于平行，使纤维受到的外力更多地作用在相互平行的石墨平面网层上，当碳纤维受到拉力作用时不易发生断裂。因此，碳纤维具有较高的强度和模量，其抗拉强度是钢材的4-5倍，比强度是钢材的10倍，且密度很小，仅为1.5-2g/cm3，相当于钢材密度的1/5、铝合金密度的1/2。碳纤维的热膨胀系数小，能够耐高温和低温，耐骤冷和急热。碳纤维耐酸性能也很好，能耐浓酸腐蚀。此外，碳纤维还具有降噪、减震等优异性能。
图 1-1 碳纤维石墨平面网层结构正是由于碳纤维上述众多优异的物理化学性能，并兼具纺织纤维柔软易于加工性，被广泛应用于汽车制造领域，助力实现汽车轻量化。根据2018全球碳纤维复合材料市场报告，碳纤维在汽车领域的需求量很大，市场份额占比11.7%，2018年需求量为10800吨，较2017年增长10.2%。宝马2018年年报数据显示，BMWi3电动车销量同比增长10.6%，该电动车的坐舱全部采用碳纤维复合材料，使整个座舱减重达50%，其车身覆盖件也部分采用碳纤维复合材料，使整车质量降到1.25t以下。此外，大众、奔驰、雪铁龙等多家汽车公司也在不断研发应用于车身、座椅、底盘、传动轴等重要部件的车用碳纤维复合材料，碳纤维有望成为实现汽车轻量化的重要材料。
碳纤维增强热塑性树脂复合材料在汽车制造领域有巨大的应用潜力，但碳纤维与热塑性树脂之间的粘结性能不佳，这将严重影响材料的力学性能。为改善碳纤维/热塑性树脂复合材料的界面性能，需要对碳纤维或热塑性树脂进行改性，碳纤维表面处理的方法很多，其中低温等离子体技术是一种新的材料表面处理技术。低温等离子体技术是一种干式工艺，具有节能、无公害、处理时间短、效率高以及能满足环境保护要求等优点。
等离子处理改性碳纤维原理：
其原理包括两方面如图1-2所示：一是等离子体中存在高能（几十电子伏特）的带电粒子、紫外光及亚稳态粒子轰击纤维表面，导致纤维分子激发、电离、化学键断裂与重组等发生，一定时间后在纤维表面形成大量自由基和活性基团等新的化学结构；二是等离子体中的高能量电子可以加速较低温度的活性粒子，使其在纤维表面引起溅射反应，清除纤维表面杂质，刻蚀纤维表面，导致纤维表面粗糙度增大并产生沟槽，增加了纤维与树脂的接触面积，进而增强了两相之间的界面粘结强度。
图1-2 等离子处理碳纤维原理
水滴角测试等离子体对碳纤维表面润湿性的影响
碳纤维表面呈现非极性的特点。碳纤维表面处理的目的是改变碳纤维表面的极性和形貌，增强碳纤维与树脂之间的界面性能。水是一种极性材料，采用水来表征碳纤维表面处理后的效果，从宏观上可以直接对比出碳纤维表面处理前后的效果。如图1所示，采用水滴角测试仪检测碳纤维表面水滴角对比。本试验对比观察了经过低温等离子体处理前后的碳纤维表面的极性状态。试验结果显示：未经过表面处理的碳纤维与水几乎不发生浸润，说明未经过低温等离子表面处理的碳纤维表面惰性很强，与强极性的水不发生润湿，碳纤维表面呈现非极性；经过低温等离子体处理的碳纤维与水的润湿性好，说明碳纤维经过低温等离子体表面处理后，其表面发生一系列复杂的反应，宏观上碳纤维表面呈现出极性。未经过表面处理的碳纤维，表面呈现出憎水的现象，与水润湿性差，使其很难与其他极性材料良好结合充分发挥出碳纤维的特性，达到复合材料最优的性能；经过低温等离子体处理后的碳纤维表面呈现出极性，能更加充分地发挥碳纤维的特性，提高碳纤维复合材料的性能。
不同工艺参数低压等离子体处理前后碳纤维表面浸润形貌
等离子处理碳纤维表面的形貌分析
低温等离子体轰击材料表面时，通常会改变材料的表面状态，通常情况下，等离子体作用于材料表面，会在微观结构上对材料表面进行修饰，对材料表面结构薄弱的部分进行刻蚀，断开材料表面的价键，形成一些新的官能团等。对不同处理时间低温等离子体处理的碳纤维表面形貌进行了观察，经过表面处理的碳纤维形貌如图2所示。低温等离子体处理碳纤维表面，会产生明显的清洁效果，即经过处理后，纤维表面附着物以及他凸起 物都会明显消除，纤维表面更加光滑。但长时间的低 温等离子体处理，也会造成一定程度的表面刻蚀，使 碳纤维表面粗糙度增加。
不同等离子处理时间碳纤维表面的形貌
等离子处理碳纤维XPS测试结果24512