碳纖維的等離子體處理是指使用放電、高頻電磁振蕩、沖擊波及高能輻射等方法使空氣、氧氣、惰性氣體等產(chǎn)生等離子體，對碳纖維表面進行處理使其表面進行功能化的過程（向明，2001）。它具有操作簡單、環(huán)境友好、使用氣體廣泛、對材料本身損傷小的優(yōu)點。而且反應(yīng)僅在材料表面發(fā)生，而不會明顯改變材料本身的力學(xué)性能，因此成為一種高效的碳纖維改性方法。
根據(jù)所用氣體性質(zhì)的不同，等離子體處理可以在碳纖維表面產(chǎn)生自由基、離子和亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，從而引起蝕刻、交聯(lián)和化學(xué)改性。從氫等離子體處理和氧等離子體處理對碳纖維表面碳鍵類型及粗糙度的影響對比中可知，隨著氧氣流速的增加（0-50 sccm），碳纖維表面sp2鍵 含量從57%下降到41.6%，說明sp2鍵分解并轉(zhuǎn)化成C-O或C=O鍵。而285.6 cm-1處 的C-C（sp3）鍵消失并在285 cm-1處產(chǎn)生sp3鍵，表明通過氧等離子體處理除去了氫化碳。隨著氫氣流速的增加（0-50 sccm），碳纖維表面C-C（sp3）鍵含量由未改性碳纖維時的28%上升到41.3%，碳纖維表面粗糙度從3.39 nm提高到5.57 nm， 提高了64%。而氧等離子體處理的碳纖維表面粗糙度從3.39 nm提高到295 nm，提高了87倍。這說明相對于氫等離子體處理，氧等離子體處理體現(xiàn)出更強的蝕刻能力。用乙醇等離子體處理氧等離子體處理過的碳纖維。碳纖維表面的形態(tài)和粗糙度會發(fā)生明顯變化，纖維表面呈現(xiàn)出更深的槽和脊，粗糙度增加。此外， FTIR和XPS分析發(fā)現(xiàn)COOH，C-O，C=O和C-OH等含氧官能團成功接枝到碳纖維 表面。而這些親水性官能團的存在以及粗糙度的增加提高了碳纖維的潤濕性，并改善了纖維與基體的界面結(jié)合。經(jīng)氧或空氣等離子體處理后碳纖維表面會產(chǎn)生羧基和羥基，它們能夠與環(huán)氧基團反應(yīng)，因此有利于提高碳纖維與環(huán)氧樹脂基體的界面結(jié)合，但是氧或空氣等離子體處理一定程度上會降低碳纖維本身的強度。圖1 不同等離子體處理速度時碳纖維表面的電鏡圖（作者：Cho，2019）氮或氨氣等離子體處理對碳纖維強度的影響幾乎可以忽略。且在碳纖維表面形成的含氮功能化官能團能夠與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，從而提高纖維與基體的界面結(jié)合。氮氣等離子體處理后，碳纖維直徑和強度幾乎無變化，而纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合顯著提高，其界面剪切強度增加。碳纖維進行低壓氨氣等離子體處理，處理前后碳纖維的表面形態(tài)和粗糙度并未有明顯差異（如下圖），但碳纖維表面含氮官能團含量和表面能均顯著提高。但是經(jīng)等離子體改性后，CF/EP復(fù)合材料的界面斷裂韌性提高不明顯，所以，低壓氨氣等離子體處理對纖維與環(huán)氧基體的界面結(jié)合提高不明顯。
圖二 不同等離子體處理時間碳纖維的 AFM 圖（作者：Moosburger-will,2018）
文章內(nèi)容選自《碳纖維/碳納米管增強樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能研究》，作者吳亞東，文章初衷在于碳纖維知識普及與分享，如有涉及內(nèi)容雷同或不妥之處，請聯(lián)系修改或刪除。
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