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CFRP與傳統金屬材料相比,具有重量輕、抗拉強度高、抗腐蝕性能好等優點,在航空航天等領域中逐漸被廣泛應用,同時,CFRP連接技術逐漸受到許多研究學者的關注。常用的連接方式包括機械連接、膠接、混合連接等,與其他連接方式相比,膠接連接可以有效避免開孔引起的應力集中、電偶腐蝕等。但是CFRP表面潤濕性低,化學惰性較高,直接涂膠的粘接效果差。因此,需要對CFRP膠接面進行適當的表面處理,以改善其表面潤濕性及表面活性。CFRP表面處理方式有化學溶劑刻蝕、機械打磨、激光處理、等離子體處理等。其中化學溶劑刻蝕易對環境造成污染,機械打磨及激光處理等處理方式容易使CFRP基體及纖維產生損傷。而等離子體處理技術在CFRP、金屬等材料表面處理中具有廣闊的應用前景,是一種高效且環保的表面處理方式,已逐漸成為當前研究熱點。

等離子體表面處理技術

等離子體,也被稱為物質的第四狀態,可以簡單地解釋為有能量的氣體。當額外的能量被強制輸入氣體系統時,氣體被電離,產生自由電子和離子,形成等離子體。當等離子體遇到粘附表面時,就會發生能量的轉移,從而激活表面,形成最佳的膠接條件。

等離子體處理對CFRP表面的主要影響是:(1)由于等離子體蝕刻效應而改變表面粗糙度(2)去除表面污染物(3)改變表面的化學性質。因此,使用等離子體處理CFRP基板可以激活機械互鎖和化學粘合的粘附機制,最大限度地提高膠接強度。研究發現,等離子體可以提高氧氣含量,并在表面產生極性成分,這是實現高效膠接的關鍵。

等離子體表面處理對CFRP表面能的影響

(1) 接觸角與表面能表征

圖1(a)表示四種不同表面處理方案對CFRP膠接區域接觸角的影響,從圖中可以看出,未經處理的樣件表面其水接觸角為92.13°,乙二醇接觸角為68.69°,這表明未經處理的接頭表面是一個疏水性表面。同時從圖3.21(a)中可以看出,乙二醇的接觸角總是比水低,因為其表面張力較小。溶劑清洗后的CFRP樣件的接觸角略微降低,但表面打磨處理過的CFRP樣件的接觸角明顯降低,水和乙二醇的接觸角分別為70°和36.3°。等離子體處理后的樣件有一個更大的接觸角的減少,其水和乙二醇的接觸角分別為26.1°和21.1°,這意味著等離子體處理后,CFRP樣件擁有一個高能量、親水性的表面。

圖1(b)表示不同表面處理方案對表面能與表面粗糙度的影響,從圖中可以看出等離子體處理后的樣件表面的表面能最高,為74.5mJ/m2;其次是打磨處理的CFRP樣件,其值為37.07mJ/m2;未經處理和溶劑清洗的CFRP樣件表面能較低,其值分別為20.7mJ/m2和22.03mJ/m2。

  圖1表面處理方案對CFRP接觸角、表面能與粗糙度的影響 

等離子體表面處理對CFRP表面化學組分的影響

等離子體處理對CFRP表面活性具有明顯影響,主要是通過等離子體中的活性粒子與CFRP表面元素產生一系列化學作用,從而影響CFRP表面化學組分及含量。利用XPS對CFRP表面化學組分、含量及主要化學態進行表征,隨等離子體處理距離及處理速度的降低,CFRP與等離子體中的活性粒子相互作用,表面C1s、O1s、F1s、N1s、Si2p等主要化學組分均發生改變(表3),同時結合CFRP表面XPS圖譜分析可知(如圖2所示),表面C1s峰吸收顯著降低,且Si2p吸收峰含量出現略微降低,這是由于CFRP表面樹脂與等離子體相互作用后,碳鏈基團被降解并游離出表面,同時少部分CFRP表面含硅污染物也被等離子體清除。另外,部分復合材料表面含硅物質易與等離子體中的氧離子發生反應,形成易膠接的二氧化硅層,存在于CFRP表面。而O1s含量明顯增加,且F1s、N1s吸收峰均出現小幅度提高,這是由于空氣中的氧氣經電離后吸附在CFRP表面,使其表面含氧基團增加,同時,由于表面污染物被清除,CFRP表面含氟元素占比增加,空氣中電離的氮氣被CFRP表面吸附,從而增加了其表面含氮基團的含量。

表1 等離子體處理前后CFRP表面化學組分 

圖2 等離子體處理前后CFRP表面XPS圖譜

綜上所述：CFRP經等離子體處理后表面水接觸角降低,表面自由能及極性分量增加,表面潤濕性及吸附性能提高。經等離子體處理后,CFRP基體與等離子體中活性粒子相互作用后,表面含氧基團增多,并產生C—O/C—O、C=O/O—C=O等較為活潑的含氧基團,有利于CFRP與膠粘劑形成牢固的化學鍵合。等離子體處理可以顯著提高CFRP表面潤濕性、表面活性及膠接性能。