等离子体时效性对芳纶表面及复合材料界面性能的影响

利用氧气等离子体处理芳纶纤维表面,采用溶液预浸渍工艺制备芳纶纤维增强含氮杂萘聚醚砜酮(PPESK)树脂基复合材料。利用X射线光电子能谱、原子力显微镜和短梁剪切等分析测试手段研究了等离子体时效性对芳纶纤维表面元素组成、表面形貌、表面粗糙度及纤维复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,随着等离子体处理的纤维在空气中放置时间的延长,表面化学组成变化较大,表面形貌和表面粗糙度变化不大。经等离子体处理的纤维在空气中放置较短时间内,其复合材料界面性能基本保持,继续延长放置时间到10d,ILSS值由52.0 MPa下降到43.9 MPa,下降了15.5%。     

常压空气等离子体对连续纤维的在线改性

采用常压空气介质阻挡放电(DBD)等离子体技术,分别对PBO、Armos和Twaron 3种高性能连续纤维进行了在线改性处理。使用X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、单丝拉伸强度(SFTS)和层间剪切强度(ILSS)等手段对比分析了纤维化学组成、物理形貌与粗糙度、拉伸性能以及纤维增强复合材料界面粘结性能的变化。结果表明:DBD改性后3种纤维表面的氧、氮元素含量以及粗糙程度均增加,其增强的复合材料ILSS分别提高了18.6%,10.2%和24.8%。但是3种纤维的表面氧、氮含量增加程度以及受刻蚀程度却有显著的差异。这可能与纤维的分子构成和耐热性能有一定的关系,综合影响了DBD对复合材料界面粘结性能的改善。同时,在纤维表面及其复合材料界面性能明显改善的等离子体处理条件下,纤维的SFTS没有明显的下降。     

PBO纤维表面空气冷等离子体改性

采用等离子体处理方法对PBO(聚对苯撑苯并二 口 恶 唑)纤维表面进行改性。用XPS和AFM测试分析等离子处理时间对PBO纤维表面组成和表面形貌的影响规律;首次采用浸润性测试和IR测试分析等离子体处理前后纤维浸润性和表面官能团的变化。用Microbond测试方法表征了纤维与树脂基体的界面剪切强度,并用SEM观察微复合材料破坏形貌。结果表明:等离子体处理后纤维浸润性得到改善,纤维表面苯环上引入了很多羟基。等离子体处理最佳条件下(170 W,10 min),纤维表面粗糙度最大,纤维表面O元素含量最大, O/C比率提高了50.5 %, IFSS值提高了64.7 %。     

用常压空气等离子体对PBO纤维表面接枝改性

用常压空气介质阻挡放电等离子体在PBO纤维表面接枝聚氨酯,研究了上浆剂对接枝反应的影响。对接枝改性后的PBO纤维的XPS分析结果表明,等离子体接枝聚氨酯改性使PBO纤维表面的化学组成发生了很大的变化。与DBD单独处理相比,接枝改性后的PBO纤维出现了更多的羧基,其提高值为64%~189%(不含上浆剂时)、102%~184%(含上浆剂时),为其与其它材料之间的化学键合提供了条件。接枝反应不受上浆剂的影响,等离子体接枝反应破坏了表面PBO分子的噁唑环。通过ATR-FTIR发现,带上浆剂的PBO纤维接枝前后噁唑环的特征峰没有变化,因此在近表面尺度的PBO分子没有破坏的依据;而在不含上浆剂的接枝改性PBO纤维上能检测到噁唑环的破坏,表明上浆剂能阻止等离子体对纤维近表面层的破坏。     

碳纤维/环氧复合材料界面改性的不均匀性EI北大核心CSCD

研究了等离子体表面改性和等离子体接枝改性碳纤维/环氧树脂基复合材料界面的不均匀性。层间剪切强度(ILSS)测量及其偏差评估的结果表明,在相同等离子体条件下,等离子体表面改性对ILSS的提升率只有8.6%,而等离子体接枝改性的提升率高达37%;但是,接枝改性ILSS的离散程度比较高。扫描电镜、金相显微镜和红外光谱分析的结果进一步表明,接枝改性可通过取代反应将较多的活性基团键接在碳纤维表面从而更容易实现界面提升,但是接枝层的不均匀及其产生的纤维粘连使ILSS的离散程度提高。     

电晕处理对高性能PBO纤维的表面性能及其界面粘接性能的影响

对高性能PBO纤维表面进行了电晕处理,优化了其处理工艺。用XPS,FT-IR和SEM研究了处理前后纤维表面化学结构及物理结构的变化,通过单丝拔出试验和短梁剪切试验评价了PBO纤维与树脂基体的微宏观界面粘接性能。结果表明:经电晕处理后,PBO纤维表面含氧量增多,表面浸润性得到改善,单丝拔出的PBO-环氧界面剪切强度(IFSS)提高了25.6 ％,但短梁剪切强度(ILSS)的提高不明显。     

高能辐照下环氧树脂对腰形碳纤维的表面改性

利用高能射线共辐照接枝,在环氧树脂/丙酮溶液中对腰形截面碳纤维表面进行了处理.通过扫描电子显微镜(SEM)观察了纤维的表面及复合材料断口形貌的变化;利用浸润性测试方法分析了纤维表面能的变化;采用X射线光电子能谱(XPS)方法分析了纤维表面化学元素及官能团的组成;通过层间剪切强度(ILSS)表征了纤维增强环氧树脂复合材料的界面性能.结果表明,处理后碳纤维表面沟槽变深,氧元素和碳元素百分含量比(O/C)提高,表面能极性分量增加,ILSS最大可提高18.3%,达到91.3MPa.     

氧等离子体处理对国产芳III纤维表面性能的影响

用氧气等离子体处理芳III纤维的表面,考察了等离子体处理前后芳III纤维表面性能的变化。使用红外光谱分析(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和动态接触角等手段研究了等离子体处理前后芳III纤维化学结构、表面元素组成、表面形貌、表面粗糙度和表面浸润性能的变化。结果表明,在保持纤维本体结构不变的前提下用氧等离子体处理在纤维的表面引入了含量分别为20.1%和8.1%的新极性官能团(C-O和COO)。经氧等离子体处理后纤维表面的沟槽和起伏增多,粗糙度增大。用等离子体处理使纤维表面的浸润性能明显提高,总表面自由能由49.9 m J/m~2提高到67.1 m J/m~2。     

整体中空复合材料预制件等离子体处理的效果表征

采用空气介质阻挡放电(DBD)常压等离子体对整体中空复合材料玻纤预制件的表面进行处理.利用FTIR-ATR、SEM、毛效实验表征处理后的预制件表层纤维及芯材纤维,并利用LRXPlus电子材料试验机测试整体中空复合材料的平压性能.结果表明,等离子体可通过预制件孔径渗透到织物芯材,表层纤维和芯材表面反应活性点增多;两者表面粗糙度均增加;纤维浸润性分别提高了20.9%和19.4%;整体中空复合材料的平压强度提高了28.79%.     

Technora纤维表面等离子体处理对其复合材料界面性能的影响

用扫描电子显微镜观察Technora纤维表面物理形貌并测量单丝纤维的拉伸强度以分析等离子体处理对纤维本体性能的影响,再用层间剪切强度和吸水率分别表征复合材料在室温干态和高温湿态下的界面性能,研究了等离子体处理对Technora纤维复合材料界面性能的影响。结果表明,用等离子体处理后纤维表面的物理形貌发生了显著变化,复合材料的层间剪切强度由未处理时的15.74 MPa提高到24.93 MPa,提高的幅度高达58.4%;同时,复合材料的吸水率下降而本体性能基本不受影响。上述结果表明,等离子体对Technora纤维的表面改性能有效地改善其复合材料的界面性能。     

Atmospheric air plasma treated PBO fibers: Wettability,adhesion and aging behaviors

Poly (p–phenylene-2, 6-benzobisoxazole) (or PBO) fibers were modified by air dielectric barrier discharge plasma (air-DBD) with different treatment time. The wettability of the PBO fibers were enhanced evidently, which was proved by dynamic contact angle analysis (DCAA), the contact angle in water of the fibers treated by air-DBD plasma decreased from 77.52° to 34.05°, while the surface free energy increased from 44.73 mJ/m² to 64.04 mJ/m². The surface morphology changes and variations of chemical components of PBO fibers were detected by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results demonstrated that the fiber surface morphology became rougher and some newly polar groups were introduced onto the fiber surfaces. They contributed to the enhancement of the wettability. Furthermore, the interfacial adhesion between PBO fibers and bismaleimide (BMI) resin was improved obviously, which revealed by the increased ILSS of the PBO/BMI composites. Nevertheless, the ILSS of PBO/BMI composites decreased to 47.0 MPa after PBO fibers were stored in air for 7 days and there were little changes for 7–30 days.     

The effect of surface treatment on the performance improvement of carbon fiber/polybenzoxazine composites

The effects of surface treatments, such as oxygen plasma and nitric acid treatment, on the mechanical properties of carbon fiber (CF)/polybenzoxazine composites were investigated. Interlaminar shear strength (ILSS) and flexural strength of CF/polybenzoxazine composites were measured and correlated with surface area and surface functionality. Both oxygen plasma treatment and nitric acid treatment were efficient in the enhancements of the ILSS and flexural strength of CF/polybenzoxazine composites. However, nitric acid treatment was more efficient than oxygen plasma treatment due to large increment of surface roughness. Cohesive failure was observed in surface treated composite due to adhesion improvement.     

γ射线辐照对碳纤维表面接枝改性的影响

为提高碳纤维/环氧树脂复合材料的界面粘结性能, 采用γ射线共辐照接枝方法对碳纤维表面改性, 利用X光电子能谱仪(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 电子万能材料试验机, 研究了在缩乙二醇丙酮溶液和环氧氯丙烷丙酮溶液中经200 kGy剂量的γ射线辐照接枝后, 碳纤维的表面化学元素及官能团组成、 表面形貌、 复合材料剪切断面形貌及其层间剪切强度(ILSS)的变化。研究表明, 缩乙二醇类接枝液的接枝效果较理想, 碳纤维接枝率达7%; 辐照处理碳纤维表面O/C比值和含氧官能团含量增加, 以此制备的碳纤维/环氧复合材料的ILSS提高, 最大提高率达31.2%; 同时还发现辐照接枝后的碳纤维表面粗糙度增大。     

高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。     

芳纶纤维的磷酸表面处理及其树脂基复合材料界面性能

采取不同浓度的磷酸水溶液对芳纶纤维进行表面处理, 并对不同处理条件下芳纶纤维的单丝强度、表面性质及其环氧树脂复合材料的界面性能进行了分析和测试。结果表明: 20 wt %磷酸溶液处理的芳纶纤维, 纤维表面含氧官能团含量最高; 继续提高磷酸溶液的浓度, 含氧官能团含量下降, 纤维表面趋于平整, 单丝强度上升。用20 wt %磷酸溶液处理芳纶纤维, 纤维/ 环氧树脂基复合材料的层间剪切强度达到62 MPa , 界面剪切强度提高18 % , 是一种简单有效的表面处理方法。纤维表面粗糙度和纤维表面含氧官能团的数量是影响芳纶纤维/ 环氧树脂复合材料界面结合性能的关键因素。      

UHMWPE纤维表面处理及其复合材料性能

对超高分子量聚乙烯(U HMWPE) 纤维进行了铬酸液相氧化和上胶剂表面涂覆的复合表面处理, 并对U HMWPE 纤维表面处理前后与几种不同结构的环氧树脂基体制备的复合材料进行界面性能研究。结果表明: 树脂种类对复合材料界面性能略有影响, 但层间剪切强度都较低。对纤维进行单纯的液相氧化和表面涂覆均可以提高复合材料的界面性能, 但液相氧化处理时间过长会使纤维强度降低; 而液相氧化2涂覆的复合处理则具有协同效应, 在不降低纤维强度的同时大幅度提高复合材料的层间剪切强度, 是一种有效的表面处理方法。      

A comparative study on mechanical properties of carbon fiber/PEEK composites

The aim of this work was to improve mechanical properties such as flexural strength and interlaminar shear strength (ILSS) of polyetheretherketone (PEEK) thermoplastic polymer which has very high processing temperature due to its high melting temperature. Carbon fiber (CF) surface was modified by two different methods: oxidative and non-oxidative. Piranha solution and chromate solution were used for chemical treatment (oxidative treatment), and silicone based polymers were used for polymer coating (non-oxidative). The changes on the surface structure and surface chemistry were characterized by scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), respectively. FTIR results indicate that coating fibers decreases carbon element content, whereas increases the oxygen and silicone content as well as their functional groups on the surface. Flexural strength and ILSS properties of CF/PEEK composites were measured according to ASTM D-790 and ASTM D2344, respectively.     

冷等离子体处理对涤纶纤维表面性能的影响

采用冷等离子体技术处理涂纶纤维,利用ESCA分析了冷等离子体处理前后的纤维表面元素组成,官能团类型的变化,通过比较处理前后浸润性,涂纶纤维／环氧复合材料的层间剪切强度,研究了冷等离子处理对涤纶纤维表面性质的影响,结果表明：绦纶纤维经冷等离子处理后表面含氧的极性基团增加,纤维表面的浸润性显著改善,涤纶纤维／环氧复合材料界面性能增强。     

超高分子量聚乙烯纤维紫外接枝处理

以超高分子量聚乙烯纤维布为处理对象,研究了紫外接枝处理过程中各种因素对处理后复合材料层间剪切强度的影响,发现以丙烯酰胺为接枝单体时的处理效果最好,并用扫描电镜、红外光谱以及XPS研究了纤维处理前后表面性能、表面形貌的变化。