1 引言
    Kevlar, PBO纖維等新型高強度、高模量的增強纖維材料，但因其表面光滑、表面活性低且呈極強的化學惰性，與樹脂基體的界面粘接很差，故嚴重地制約了它們在高性能復合材料中的應用^[1-3]。因此對纖維進行表面改性，增強纖維與不同種類樹脂基體的層間剪切強度(ILSS)，成為有機纖維增強樹脂基復合材料的關鍵技術^[4]。這項關鍵技術的突破將使有機纖維增強樹脂基復合材料的開發具有重要意義，并且對于航天、航空和國防等高新技術領域復合材料的更新換代產生推動作用。與傳統的化學和物理改性方法相比較，低溫等離子處理的方法由于不用溶劑，操作簡單、時間短、效率高、節省能源、無公害，并且其能量只有幾個到幾十個電子伏特，對材料表面的作用僅涉及幾到幾百納米，只會改善材料表面性能，賦予纖維新的特性而不改變纖維基體的優良性能^[5-8]，對本體損傷較小，對表面極端惰性的高聚物有明顯的改性效果，因而成為材料表面改性的一種極為有效的方法。隨著連續化等離子體處理設備的出現，該項技術具有廣闊的發展前景^[9,10]。
    本文采用正交試驗方法研究了Ar冷等離子體處理工藝的氣壓、功率和處理時間等參數對Kevlar49 S500織物表面性質的影響，通過試驗測定改性前后織物與環氧樹脂復合的界面剪切強度，對處理效果進行評價，并探索了佳工藝條件。
2 試驗部分
2.1 原材料
    Kevlar 49 S500織物
    中溫固化環氧樹脂
2.2 主要實驗設備
    GPT-3型等離子體處理儀
    熱壓罐
    Instron材料試驗機
2.3 Ar冷等離子體處理織物
    將待處理織物放入等離子體處理儀的處理腔中，隨后抽真空使處理腔中的真空度小于10Pa，然后通入工作氣體Ar再抽真空，如此反復3次純化處理腔中的氣體。控制一定的處理時間、功率和壓力，對織物進行等離子體改性處理。
2.4 Kevlar/環氧樹脂復合材料的制備
    將經Ar等離子體處理的織物制成含膠量50%的中溫固化環氧樹脂預浸料，然后鋪貼成預浸料坯，進熱壓罐固化制成復合材料。
2.5 層間剪切性能的測試
    按直九標準Z9 1296-1999測試Kevlar/環氧復合材料的層間剪切強度。
3 結果與討論
    若制備預浸料和復合材料的工藝保持一致，并采用同樣的界面性能評價方法，那么影響織物表面處理效果的只有工作氣體壓力、功率和處理時間三個因素。為了用盡可能較少的試驗獲得好的或較好的Ar冷等離子體處理條件，我們選用了正交試驗設計的方法。根據文獻調研和以往的經驗確定了各個因素的三個不同水平，如表1所示。

   
    假設以上三個因素之間沒有交互作用，則選取正交表安排試驗，見表2。

    采用同樣的預浸料和復合材料制備工藝制備的未處理Kevlar織物環氧樹脂復合材料的層間剪切強度為34.6MPa。由表2可知好的處理效果為第9號試驗。第9號試驗方案70Pa壓力、300W功率，5min處理時間的結果為39.1MPa，與未處理的試驗結果相比層間剪切強度提高了13%。 [-page-]
3.1 極差分析
    由表2的分析結果可知，按照極差大小順序排出因素的主次順序：

                    
    A因素即工作氣體壓力的影響顯著，時間和功率的影響次之。
    較好的因素水平搭配是A3B3C1，但在表中并不存在A3B3C1這個試驗方案。估計如果按A3B3C1的條件試驗，得到的結果要比第9號試驗結果還好,但需進行試驗驗證。
3.2 水平變化時指標變化趨勢
    以每個因素的三個水平值作橫坐標，以與這三個水平值對應的T值作縱坐標求得三個點，并將這三個點順序連成一條折現。得到如圖1所示的三個因素的各個水平及其相應的T值變化圖。

                 
    從因素水平T值變化圖可以看出，處理時間從2min到8min變化時，T值降低。工作氣體壓力的變化圖反映出隨壓力的增大，T增加很多。處理功率的水平從100W升到300W時，T值也逐漸增大。因此，因素水平變化時指標的變化趨勢顯示氣體壓力增大、處理時間縮短、處理功率增大,試驗結果會更好,但需再做進一步的試驗驗證。
3.3 驗證試驗
    根據正交試驗的結果，第9號試驗方案70Pa壓力，300W功率，5min處理時間的結果為39.1MPa，正交試驗極差分析表明較好的因素水平搭配是A3B3C1，即70Pa，300W，2min。因素水平變化時指標的變化趨勢分析顯示氣體壓力增大，處理時間縮短，處理功率增大，試驗結果會更好，處理功率因設備的原因不能再增大。因此安排如下試驗進行驗證，見表3所示。

          
    試驗結果表明正交試驗的結果預測的方向是正確的，如正交試驗安排的70Pa，300W, 5min條件處理的復合材料層間剪切強度為39.1MPa,驗證試驗的結果為39MPa；正交試驗顯示較好的因素水平搭配是A3B3C1,即70Pa，300W，2min，驗證試驗的結果為40.8MPa。
4 結論
    采用正交試驗設計的方法對Ar冷等離子體處理Kevlar織物工藝條件的三個參數進行了優化研究，結果表明工作氣體壓力的影響顯著，時間和功率的影響次之。獲得了Ar冷等離子體處理Kevlar織物的佳工藝條件70Pa，300W，2min，經該工藝處理后的Kevlar織物/環氧復合材料的層間剪切強度為40.8MPa，較未處理情況下的34.6MPa提高了18%。
                參考文獻
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