常壓等離子體對(duì)碳纖維的表面改性及其放電過程的數(shù)值模擬.pdf

1、常壓等離子體近幾十年來(lái)發(fā)展迅速。由于它不需要真空，可以連續(xù)處理，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。特別是在材料表面改性方面，大氣壓等離子體處理不僅可以使材料表面變粗糙，并且可以引入羥基(-OH)，羰基(-C=O)等親水基團(tuán)，從而提高材料的表面能，改善材料表面的潤(rùn)濕性和粘結(jié)性。
　　 碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐疲勞等優(yōu)異性能，碳纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、武器制造、汽車部件等眾多領(lǐng)域。沒有經(jīng)過表面處理

2、的碳纖維由于本身表面活性低而制約了它在復(fù)合材料上的應(yīng)用。本論文研究了常等離子體表面處理碳纖維的特性，并模擬了其放電物理。
　　 本文首先利用實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)設(shè)計(jì)的同軸管狀大氣壓等離子體纖維處理裝置(PLA-PLA)進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)等離子體的電學(xué)參數(shù)分析和發(fā)射光譜診斷，研究在不同電源功率和氣體組分條件下等離子體的狀態(tài)，結(jié)果表明，放電主要是由一些極細(xì)的放電絲組成，隨著電源頻率的增大，放電細(xì)絲開始逐漸集中。根據(jù)發(fā)射光譜數(shù)據(jù)分析，其中

3、存在著大量的活性粒子和自由基，如Ar、OH和O，這些活性粒子和自由基的強(qiáng)度隨著放電功率的增加而增強(qiáng)。而氧氣的加入會(huì)使發(fā)射光譜的強(qiáng)度降低。
　　 然后用此大氣壓等離子體裝置處理了PAN基碳纖維，并對(duì)處理參數(shù)如氬/氧氣體比例、功率和處理時(shí)間進(jìn)行了研究。通過掃描電子顯微鏡研究了碳纖維微觀的形貌的變化。通過紅外吸收光光譜和X光電子能譜對(duì)碳纖維的表面化學(xué)組成進(jìn)行了研究。通過接觸角測(cè)試與力學(xué)性能測(cè)試研究了碳纖維表面親水性變化與機(jī)械性能的變化

4、。結(jié)果表明，隨著等離子體放電功率的加大和處理時(shí)間的加長(zhǎng)，碳纖維表面會(huì)接入大量的含氧極性官能團(tuán)，而其表面被刻蝕出的微小凹坑也會(huì)增多。氬/氧混合氣體能更好的使碳纖維表面接入極性官能團(tuán)。但是處理時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)由于刻蝕作用而導(dǎo)致碳纖維的斷裂強(qiáng)度的減小，所以一定要控制處理的時(shí)間，以免對(duì)碳纖維有太大的損傷。
　　 最后，本文建立了一維放電模型，對(duì)氬等離子體的放電進(jìn)行模擬，結(jié)果表面而電子密度隨著頻率的升高而升高，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果研究對(duì)比表明，