等離子體處理的時(shí)效性對(duì)芳Ⅲ/雙馬復(fù)合材料耐濕熱性能的影響

王靜，孟伶智，任航，馮佳月，時(shí)晨，任榮

（沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部遼寧省先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136）

芳Ⅲ纖維是由中藍(lán)集團(tuán)晨光化工研究院自主研發(fā)的一種高性能特種纖維（結(jié)構(gòu)類似俄羅斯 Armos纖維），它具有高強(qiáng)度、低密度、抗腐蝕、抗降解、耐高溫、高透波率等一系列優(yōu)異性能，主要應(yīng)用于航空航天及國防工業(yè)領(lǐng)域，如航空高壓容器、飛行器結(jié)構(gòu)材料、防彈裝甲材料、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等[1-3]。芳Ⅲ纖維是支撐當(dāng)代航天航空、軍事工業(yè)等尖端產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)材料和直接影響國家安全利益的戰(zhàn)略物資，具有廣闊的市場(chǎng)前景和迫切的現(xiàn)實(shí)需求。芳Ⅲ纖維表面光滑、缺乏活性基團(tuán)，導(dǎo)致芳綸纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度低。因此，為了提高芳綸III纖維復(fù)合材料的性能，保證承力結(jié)構(gòu)件整體性能的穩(wěn)定性，芳Ⅲ纖維表面改性勢(shì)在必行。等離子體處理手段具有高效、無污染以及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在保證纖維本體結(jié)構(gòu)基本不受影響的同時(shí)，可以大幅度提高纖維與樹脂間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，是一種有效的纖維表面改性方法之一[4-10]。等離子體處理纖維表面也存在一些不足，隨著在空氣中儲(chǔ)存一定時(shí)間后，經(jīng)過處理的纖維表面會(huì)發(fā)生退化效應(yīng)，即纖維表面等離子體處理的時(shí)效性[11-14]。等離子體處理的時(shí)效性將對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面起到一定的消極作用。因此，對(duì)等離子體處理時(shí)效性的研究對(duì)復(fù)合材料的制備具有重要意義。

文中利用氧氣等離子體處理芳Ⅲ纖維表面，考察等離子體處理前后及其時(shí)效性對(duì)芳Ⅲ/雙馬復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、界面性能及耐濕熱性能的影響。利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)水煮前后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。通過掃描電子顯微鏡對(duì)等離子體處理前后及其時(shí)效后復(fù)合材料層間剪切破壞形貌進(jìn)行觀察。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)所用材料：芳Ⅲ纖維(F-368)，由中藍(lán)集團(tuán)晨光研究院提供，直徑為15 μm，線密度為200 tex；雙馬來酰亞胺（bismaleimide, BMI）樹脂, 型號(hào)為QY8911- II，由北京航空制造工程研究所提供。

1.2 芳Ⅲ表面等離子體改性

為去除芳綸纖維表面的上漿劑和污染物，首先用丙酮浸泡24 h，然后在真空烘箱中充分干燥，備用。利用射頻耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma,ICP）處理芳Ⅲ纖維表面。工作氣氛為氧氣；工作氣壓為30 Pa；放電功率為200 W；放電時(shí)間為15 min。將等離子體處理后的纖維樣品放在鋁制盒中。時(shí)效時(shí)間為3天，室溫23 ℃，相對(duì)濕度為40%。

1.3 復(fù)合材料制備

首先，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40%的雙馬/丙酮溶液，再將等離子體處理前后和時(shí)效后的芳Ⅲ通過預(yù)浸漬工藝制備出芳Ⅲ/雙馬預(yù)浸帶薄片。最后，通過高溫模壓成型技術(shù)制備單向復(fù)合材料板[15]。

1.4 性能測(cè)試

吸水率測(cè)試：將30 mm×50 mm×2 mm大小的單向纖維復(fù)合板浸入到（98±2）℃的沸水中，保持水溫不變，在間隔一定時(shí)間內(nèi)將單向復(fù)合板取出并擦干其表面的水分，稱量單向復(fù)合板的質(zhì)量，根據(jù)式（1）計(jì)算得到復(fù)合材料的吸濕率，并通過計(jì)算復(fù)合材料的吸濕率（m）與時(shí)間（t）的關(guān)系獲得復(fù)合材料的吸濕曲線。

式中：M0為單向復(fù)合板的初始質(zhì)量；Mt為t時(shí)刻單向復(fù)合板的質(zhì)量。

復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試：根據(jù)GB/T 1449—2005將單向復(fù)合材料板切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（島津AG-2000A）測(cè)試復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。試樣尺寸為40 mm×15 mm×2 mm，跨度比為 16：1，壓頭半徑為10mm，壓機(jī)速度為2 mm/min。

復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度測(cè)試：根據(jù) GB 3357—82，將單向復(fù)合材料板切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（島津AG-2000A）測(cè)試復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。試樣尺寸為25 mm×6 mm×2 mm，跨度比為5：1，壓頭半徑為2 mm，壓機(jī)速度為2 mm/min。

利用掃描電鏡（日立公司SU3500型）對(duì)等離子體處理前后和時(shí)效后的復(fù)合材料層間剪切破壞形貌觀察。放大倍數(shù)為500倍。

2 結(jié)果及分析

2.1 對(duì)吸水率的影響

復(fù)合材料經(jīng)過一定時(shí)間水煮后，其吸水量的多少可間接地反映出復(fù)合材料界面粘結(jié)的好壞。未處理的、等離子體剛處理過的和等離子體處理后在空氣中放置三天后的纖維復(fù)合材料吸水率的變化如圖 1所示?？梢钥闯觯唇?jīng)等離子體處理的復(fù)合材料 24 h吸水率為0.51%，等離子體剛處理過的復(fù)合材料24 h吸水率為0.33%。與未處理的復(fù)合材料相比，經(jīng)過等離子體處理后的復(fù)合材料吸水率明顯下降，由此說明經(jīng)過等離子體處理后復(fù)合材料的界面性能有所提高，從而阻礙了水分沿著纖維和樹脂的界面進(jìn)入到復(fù)合材料的內(nèi)部。等離子體處理時(shí)效后的復(fù)合材料 24 h吸水率為0.69%，較等離子體剛處理的復(fù)合材料吸水率增加了一倍多，較未經(jīng)等離子體處理的復(fù)合材料吸水率也明顯增加。由此可見，等離子體處理的時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料的界面性能有顯著影響。

2.2 對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

為考察等離子體處理及其時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料彎曲性能和耐濕熱性能的影響，分別對(duì)吸濕前后的復(fù)合材料彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖2所示。從圖2可見，未經(jīng)等離子體處理的復(fù)合材料水煮前后的彎曲強(qiáng)度分別為808 MPa和587 MPa；經(jīng)等離子體處理后的復(fù)合材料水煮前后的彎曲強(qiáng)度分別為 810 MPa和 604 MPa；等離子體處理時(shí)效后的復(fù)合材料水煮前后彎曲強(qiáng)度分別為806 MPa和596 MPa。彎曲強(qiáng)度的保持率分別為 72.6%，74.6%和 73.9%。由此可見，等離子體處理及其時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的耐濕熱性能影響不大。

2.3 對(duì)界面性能的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證等離子體處理及其時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料界面性能和耐濕熱性能的影響。分別對(duì)吸濕前后的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，如圖3所示?？梢钥闯?，未經(jīng)等離子體處理的復(fù)合材料水煮前后層間剪切強(qiáng)度強(qiáng)度分別為49.4 MPa和46.1 MPa，層間剪切強(qiáng)度的保持率為93.4%；等離子體處理的復(fù)合材料水煮前后層間剪切強(qiáng)度強(qiáng)度分別為 62.9 MPa和60.8 MPa，層間剪切強(qiáng)度的保持率為96.5%；時(shí)效后的復(fù)合材料水煮前后層間剪切強(qiáng)度分別為 56.0 MPa和50.2 MPa，層間剪切強(qiáng)度的保持率為89.6%。另外，與等離子體剛處理的復(fù)合材料界面性能相比，等離子體時(shí)效后的復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由62.9 MPa下降到 56.0 MPa，下降了10.9%；經(jīng)24 h水煮后，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由 60.8 MPa 下降到 50.2 MPa，下降了17.4%。由此可見，等離子體時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料界面性能及其耐濕熱性能有顯著影響。這可能是由于等離子體處理后的纖維在空氣中放置一定時(shí)間后，纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在與雙馬樹脂復(fù)合的過程中化學(xué)鍵接作用削弱，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度下降。

2.4 對(duì)界面破壞形貌的影響

等離子體處理及其時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料層間剪切破壞形貌的影響如圖4所示。與未處理的復(fù)合材料界面破壞形貌（見圖 4a）相比較，經(jīng)等離子體處理后（見圖 4b），纖維與樹脂緊密地粘附在一起，纖維表面粘有大量的樹脂，復(fù)合材料的層間剪切破壞基本發(fā)生在纖維本體或者樹脂基體的破壞處。從圖 4c可見，纖維表面粘附的樹脂很少，復(fù)合材料的層間剪切破壞大多發(fā)生在纖維與樹脂的界面處。由此說明，等離子體時(shí)效性對(duì)復(fù)合材料的界面粘結(jié)情況有很大影響。經(jīng)等離子體處理之后，為避免時(shí)效性帶來的負(fù)面影響，應(yīng)盡快與樹脂基體復(fù)合制備出復(fù)合材料，或者將等離子體處理后的纖維在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境（濕度和溫度下）封存起來以備用。

3 結(jié)論

1）等離子體處理能夠提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。層間剪切強(qiáng)度由未處理時(shí)的49.4 MPa提高到62.9 MPa。

2）等離子體處理時(shí)效后，復(fù)合材料界面性能及其耐濕熱性能均有所下降。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及其耐濕熱性能變化不大。

3）等離子體處理時(shí)效后，復(fù)合材料的界面破壞模式由等離子體剛處理時(shí)的基體或纖維本體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐摹?/p>

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