碳纤维等离子体处理

 碳纤维的等离子体处理是指使用放电、高频电磁振荡、冲击波及高能辐射等方法使空气、氧气、惰性气体等产生等离子体，对碳纤维表面进行处理使其表面进行功能化的过程（向明，2001）。它具有操作简单、环境友好、使用气体广泛、对材料本身损伤小的优点。而且反应仅在材料表面发生，而不会明显改变材料本身的力学性能，因此成为一种高效的碳纤维改性方法。

根据所用气体性质的不同，等离子体处理可以在碳纤维表面产生自由基、离子和亚稳态物质，从而引起蚀刻、交联和化学改性。

从氢等离子体处理和氧等离子体处理对碳纤维表面碳键类型及粗糙度的影响对比中可知，随着氧气流速的增加（0-50 sccm），碳纤维表面sp2键 含量从57%下降到41.6%，说明sp2键分解并转化成C-O或C=O键。而285.6 cm-1处 的C-C（sp3）键消失并在285 cm-1处产生sp3键，表明通过氧等离子体处理除去了氢化碳。随着氢气流速的增加（0-50 sccm），碳纤维表面C-C（sp3）键含量由未改性碳纤维时的28%上升到41.3%，碳纤维表面粗糙度从3.39 nm提高到5.57 nm， 提高了64%。而氧等离子体处理的碳纤维表面粗糙度从3.39 nm提高到295 nm，提高了87倍。这说明相对于氢等离子体处理，氧等离子体处理体现出更强的蚀刻能力。

用乙醇等离子体处理氧等离子体处理过的碳纤维。碳纤维表面的形态和粗糙度会发生明显变化，纤维表面呈现出更深的槽和脊，粗糙度增加。此外， FTIR和XPS分析发现COOH，C-O，C=O和C-OH等含氧官能团成功接枝到碳纤维 表面。而这些亲水性官能团的存在以及粗糙度的增加提高了碳纤维的润湿性，并改善了纤维与基体的界面结合。

经氧或空气等离子体处理后碳纤维表面会产生羧基和羟基，它们能够与环氧基团反应，因此有利于提高碳纤维与环氧树脂基体的界面结合，但是氧或空气等离子体处理一定程度上会降低碳纤维本身的强度。

图1 不同等离子体处理速度时碳纤维表面的电镜图（作者：Cho，2019）

氮或氨气等离子体处理对碳纤维强度的影响几乎可以忽略。且在碳纤维表面形成的含氮功能化官能团能够与环氧树脂反应，从而提高纤维与基体的界面结合。氮气等离子体处理后，碳纤维直径和强度几乎无变化，而纤维与环氧树脂之间的界面结合显著提高，其界面剪切强度增加。

碳纤维进行低压氨气等离子体处理，处理前后碳纤维的表面形态和粗糙度并未有明显差异（如下图），但碳纤维表面含氮官能团含量和表面能均显著提高。但是经等离子体改性后，CF/EP复合材料的界面断裂韧性提高不明显，所以，低压氨气等离子体处理对纤维与环氧基体的界面结合提高不明显。

图二 不同等离子体处理时间碳纤维的 AFM 图（作者：Moosburger-will,2018）

文章内容选自《碳纤维/碳纳米管增强树脂基复合材料的力学和导电性能研究》，作者吴亚东，文章初衷在于碳纤维知识普及与分享，如有涉及内容雷同或不妥之处，请联系修改或删除。