新一代高性能有機(jī)PBO纖維的密度比碳纖維更低，具有超高比強(qiáng)度、比模量和耐熱性，是21世紀(jì)的超級(jí)纖維；同時(shí)，PBO纖維還具有優(yōu)異的阻燃性能、抗沖擊性能以及耐化學(xué)介質(zhì)性 因此，PBO纖維在國(guó)防軍工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1,2,3]

熱固性雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹脂是高性能樹脂基體之一，具有與典型的熱固性樹脂相似的流動(dòng)性和可模塑性，可用與環(huán)氧樹脂類似的工藝成型 同時(shí)，BMI樹脂具有優(yōu)異的耐高溫、耐濕熱、吸濕率低、耐輻射以及線膨脹系數(shù)小等特性，克服了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂耐熱性較低和耐高溫聚酰亞胺樹脂成型壓力大、溫度高等缺點(diǎn) 因此，BMI樹脂受到了廣泛的關(guān)注[4,5,6]

由于PBO纖維和BMI樹脂具有優(yōu)異的性能，PBO纖維增強(qiáng)BMI樹脂基(PBO/BMI)復(fù)合材料有望成為高性能的樹脂基復(fù)合材料，可作為承力結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)-功能一體化材料的蒙皮用于航空航天領(lǐng)域中的飛行器、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體以及空間探測(cè)器 但是，PBO/BMI復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能較差 復(fù)合材料的界面連接纖維和樹脂并將外部載荷由樹脂傳遞給纖維，對(duì)其性能起著重要的作用 界面的粘結(jié)質(zhì)量決定著復(fù)合材料的整體力學(xué)性能以及使用壽命 PBO/BMI復(fù)合材料界面粘結(jié)性能較差的原因，可歸因于PBO纖維的分子結(jié)構(gòu) 其分子鏈結(jié)晶度和取向度高、分子表面光滑、纖維表面化學(xué)活性低且極性基團(tuán)少等因素使其與BMI樹脂間難以形成有效的化學(xué)鍵合和機(jī)械嵌合，使復(fù)合材料界面的結(jié)合強(qiáng)度降低 因此，必須對(duì)PBO纖維表面進(jìn)行改性以期提高其浸潤(rùn)性以及與BMI樹脂基體間的粘結(jié)性能 對(duì)PBO纖維表面改性的方法，主要有化學(xué)改性[7,8]、偶聯(lián)劑改性[9]和聚合物涂層改性[10,11]、化學(xué)鍍改性[12,13]、電暈改性[14,15]以及輻照改性[16]等 近年來(lái)，對(duì)材料表面的等離子體改性技術(shù)受到了越來(lái)越大的關(guān)注，因?yàn)榈入x子體改性有很多其他方法不能比擬的優(yōu)點(diǎn) 等離子體改性的效率高，可在幾秒到幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生令人滿意的效果；等離子體處理的作用僅限于材料表面的薄層，只改變聚合物表面幾十到幾百納米內(nèi)的物理化學(xué)性質(zhì)，不影響纖維本體的力學(xué)性能；等離子體處理是一種干法處理工藝，不使用也不產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，因此不會(huì)造成環(huán)境污染，是一種新型的環(huán)境友好的改性新技術(shù)；等離子體處理可使用多種不同類型的氣體作為反應(yīng)氣氛，包括不同氣體不同比例的組合，可使改性反應(yīng)多樣化，因此可結(jié)合實(shí)際需要在材料表面引入特定的反應(yīng)基團(tuán)和元素 這表明，等離子體改性技術(shù)在纖維改性方面具有廣闊的應(yīng)用前景[17,18,19,20,21,22]

本文用氧氣介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體對(duì)PBO纖維進(jìn)行表面處理，研究氧氣DBD等離子體處理對(duì)雙馬樹脂基復(fù)合材料界面性能的影響

1 實(shí)驗(yàn)方法1.1 實(shí)驗(yàn)用原材料

實(shí)驗(yàn)用原材料有：聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(Poly-p-phenylene benzobisoxazole, PBO)纖維、熱固性雙馬來(lái)酰亞胺(Bismaleimide, BMI)樹脂和雙馬樹脂

高性能纖維為高模量(HM)聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維，商品名為Zylon(化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1) 其基本性能列于表1[23,24]；熱固性雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹脂，型號(hào)為QY8911-II；雙馬樹脂，由4,4-二苯基甲烷型雙馬來(lái)酰亞胺單體經(jīng)低分子量聚醚砜改性后制得，其固化物有優(yōu)良的韌性和抗氧化性，能在230℃下長(zhǎng)期工作；QY8911-II型BMI樹脂在丙酮中具有良好的可溶性，可形成丙酮的真溶液 其中主改性劑聚醚砜的結(jié)構(gòu)式如圖2所示 QY8911-II BMI樹脂的基本性能，列于表1

圖1



圖1PBO的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Fig.1Chemical structure of PBO

Table 1

表1

表1QY8911-II BMI樹脂的性能

Table 1Properties of the QY8911-II bismaleimide resin

Properties	Values
Viscosity/Pa·s(80℃)	0.5~1.5
Softening point/℃	20~30
Tensile strength/MPa	65
Tensile modulus/GPa	3.3
Elongation at break/%	2.5
Fracture energy release rate/J·m-2	298
Tg/℃	According to E’：240 According to tanδ：270

圖2



圖2聚醚砜改性劑的分子式

Fig.2Structure of polyether sulfone

1.2 PBO/QY8911預(yù)浸料及復(fù)合材料的制備

采用高溫模壓工藝制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹脂基復(fù)合材料單向板 高溫模壓成型：將纖維樹脂預(yù)浸料放入模具中，在設(shè)置好的溫度和壓力下使樹脂基體發(fā)生熔融流動(dòng)充滿模腔，并與纖維形成緊密粘合成為復(fù)合材料 其高溫模壓參數(shù)，列于表2

Table 2

表 2

表 2復(fù)合材料高溫模壓參數(shù)

Table 2Parameters of high temperature molding for composites preparation

Parameter	Temperature	Pressure	Time
Preheat	Room temperature~125℃	0 MPa	30 min
Gel	125℃	0.5 MPa	50~60 min
Solidify	190℃	1.5 MPa	3 h
Post curing	235℃	1.5 MPa	3 h
Cooling	Natural cooling to room temperature

1.3 性能表征

用掃描電子顯微鏡觀察PBO纖維表面形貌，試樣須噴金處理，測(cè)試電壓為25 kV，放大倍數(shù)為10000倍 掃描在低真空60 Pa下進(jìn)行 用AFM可觀測(cè)納米數(shù)量級(jí)的纖維表面，將單根PBO纖維用雙面膠固定于載玻片并置于測(cè)試臺(tái)上，使用輕敲模式對(duì)纖維表面形貌進(jìn)行掃描分析，得到纖維表面三維形貌圖，掃描范圍為4 μm×4 μm 使用AFM自帶分析軟件PicoScan5根據(jù)纖維表面三維形貌圖計(jì)算纖維表面粗糙度，計(jì)算公式為

Rq=1N2∑i=1N∑j=1NZij-Zav2

(1)

Ra=1N∑i=1N∑j=1NZij-Zcp

(2)

式中Ra為算術(shù)平均粗糙度，Rq為均方根粗糙度，N為圖像中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，i和j為AFM圖像中數(shù)據(jù)點(diǎn)像素位置，Zij為i和j位置的高度，Zav為在掃描區(qū)域里的平均高度，Zcp為離中心面的高度

采用X射線光電子能譜分析PBO纖維、碳纖維表面的化學(xué)成分(XPS) 使用的X射線源為單色化的Al Kα(hν=1486.6 eV)，激發(fā)電壓為15 kV，激發(fā)功率為250 W，分析室真空壓力小于3.0×10-13 MPa，掠射角為90°，掃描點(diǎn)尺寸為500 μm 先進(jìn)行廣譜掃描，分析器的通能為20 eV，步長(zhǎng)為1 eV，得到C、O、N全元素譜圖，使用自帶軟件計(jì)算元素的含量 然后對(duì)C峰、O峰和N峰分別進(jìn)行高精度窄譜掃描，通能和步長(zhǎng)分別為20 eV和0.1 eV，使用XPSPeak(Version4.1)軟件對(duì)C1s元素譜圖進(jìn)行化合態(tài)分峰 根據(jù)分峰譜圖中各個(gè)峰的相對(duì)峰面積計(jì)算各官能團(tuán)的含量，采用的基準(zhǔn)校正為結(jié)合能284.6 eV處

依據(jù)ASTM D 2344 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試復(fù)合材料的ILSS 以此數(shù)值表征復(fù)合材料宏觀界面的粘結(jié)性能 在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上采用短梁三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行測(cè)試 試樣尺寸為25 mm×6 mm×2 mm，跨度厚度比為5，試驗(yàn)速度為2 mm·min-1 每組試樣的樣品不少于5個(gè)，取其結(jié)果的平均值 計(jì)算復(fù)合材料ILSS值的公式為

τ=3Pb4b?h

(3)

式中τ為層間剪切強(qiáng)度，單位MPa；Pb為試樣破壞時(shí)的最大載荷值，單位N；b為試樣寬度，單位mm；h為試樣厚度，單位mm

纖維單絲拉伸強(qiáng)度的測(cè)試(SFTS)：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 3379-75標(biāo)淮測(cè)試PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度，分析等離子體處理后纖維拉伸性能的變化 在室溫下將單絲PBO纖維用雙面膠固定于硬卡片框上，使用100 N傳感器，單絲試樣長(zhǎng)度為25 mm，測(cè)試速度為1.0 mm/min，每組至少測(cè)10個(gè)樣品，取其結(jié)果的平均值

2 結(jié)果和討論2.1 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料ILSS的影響

用氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后的PBO/BMI復(fù)合材料ILSS值，圖3所示 從圖3可見，經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理后復(fù)合材料的ILSS值都比處理前(43.9 MPa)有較大的提高 處理時(shí)間延長(zhǎng)至18 s和24 s復(fù)合材料的ILSS值分別為55.2 MPa和62.0 MPa，分別比前一條件提高了4.0 MPa和6.8 MPa；繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間到30 s材料的ILSS值反而降低，為56.2 MPa，降低了5.8 MPa；處理時(shí)間延長(zhǎng)到36 s復(fù)合材料的ILSS值繼續(xù)降低為54.5 MPa，降低了1.7 MPa，但是仍遠(yuǎn)高于未處理試樣 這些結(jié)果表明，氧氣DBD等離子體處理極大地提高了PBO/BMI復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度 同時(shí)，上述數(shù)據(jù)還表明，延長(zhǎng)相同的放電時(shí)間復(fù)合材料ILSS值的提高并不相同，表明等離子體改性時(shí)相同的時(shí)間間隔對(duì)纖維表面的性質(zhì)改變并不相同

圖3



圖3氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO/BMI復(fù)合材料的ILSS

Fig.3ILSS of PBO/BMI composites treated for different time by oxygen-DBD plasma

2.2 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO纖維表面化學(xué)成分的影響

對(duì)PBO纖維表面進(jìn)行XPS測(cè)試，以確定纖維表面化學(xué)元素和官能團(tuán)含量隨等離子放電時(shí)間的變化 圖4給出了經(jīng)過(guò)不同時(shí)間等離子體放電處理后PBO纖維表面XPS全掃描圖 從圖4可知，氧氣DBD等離子體處理后的PBO纖維表面含有C、O、N三種元素，與處理前的相同 但是各元素的含量有較明顯的變化，也隨著處理時(shí)間的變化而變化

圖4



圖4氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面的XPS全譜圖

Fig.4XPS survey spectra of the PBO fiber surface treated for different time by oxygen-DBD plasma (a) untreated; (b) 12 s oxygen plasma treatment; (c) 24 s oxygen plasma treatment; (d) 36 s oxygen plasma treatment

根據(jù)圖4計(jì)算出PBO纖維表面各元素相對(duì)含量，列于表3 未經(jīng)等離子體處理的 PBO 纖維，其表面C元素的含量為77.22%，O元素的含量為18.01%，N元素的含量為4.77%，元素含量比O/C為0.23，N/C為0.06；從表3可見，經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理12 s后PBO纖維表面C、O、N元素的相對(duì)含量分別為74.2%、22.14%和4.66%；與經(jīng)處理前比較，C元素的相對(duì)含量有所下降，O元素相對(duì)含量有所上升，而N元素幾乎保持不變；同時(shí)，O/C和N/C分別為0.30和0.06，O/C比處理前有所上升，而N/C也與處理前相同 但是在總體上，O+N/C比處理前有所上升，表明經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理后纖維表面極性有所提高，而O元素的引入可能是主要原因 延長(zhǎng)處理時(shí)間至24 s時(shí)C元素相對(duì)含量進(jìn)一步下降為70.97%，O元素則繼續(xù)上升至24.83%，N元素含量有所下降，為4.21%，O/C上升至0.35，而N/C為0.06，仍然與未處理時(shí)相同；可見O元素繼續(xù)被引入纖維表面，提高了纖維表面極性 當(dāng)處理時(shí)間為36 s時(shí)C元素的相對(duì)含量又上升到76.84%，O元素和N元素的相對(duì)含量分別下降到20.50%和2.66%；同時(shí)，O/C和N/C分別下降為0.27和0.03 其原因是，等離子體處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使原本引入纖維表面的O元素和新形成的官能團(tuán)被高能粒子破壞，導(dǎo)致O、N元素相對(duì)含量下降，而C元素的相對(duì)含量又上升，纖維表面極性又降低

Table 3

表3

表3氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面元素的含量

Table 3Relative elemental concentration of the PBO fiber surface treated for different time by oxygen-DBD plasma

Treatment time/s	Relative elemental concentration/%, atomic fraction			Atomic ratio
	C	O	N	O/C	N/C
0	77.22	18.01	4.77	0.23	0.06
12	74.20	22.14	4.66	0.30	0.06
24	70.97	24.83	4.21	0.35	0.06
36	76.84	20.50	2.66	0.27	0.03

經(jīng)氧氣DBD等離子體處理后的PBO纖維表面，其N元素的變化并不明顯，僅在36 s時(shí)有較明顯的降低 其原因是，在氧氣等離子體中氮?dú)鈳缀跞颗懦?，因此在等離子體放電時(shí)大量引入O元素，而N元素不會(huì)有明顯變化；但是在放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)含氮基團(tuán)會(huì)被破壞，導(dǎo)致N元素含量有所下降，比未處理時(shí)的纖維低

圖5給出了分峰處理的PBO纖維表面C1s譜圖 可以看出，在氧氣DBD等離子體處理后各官能團(tuán)隨處理時(shí)間的變化 未經(jīng)處理的PBO纖維表面含有四種官能團(tuán)，與PBO分子式相吻合 從圖5可見，除了原有的四種官能團(tuán)外，經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理后的PBO纖維表面產(chǎn)生了新的官能團(tuán)，其結(jié)合能位置在289.0 eV，歸屬于-O-C=O，說(shuō)明氧氣DBD等離子體在PBO纖維表面引入了新的基團(tuán) 同時(shí)，各個(gè)官能團(tuán)所占的峰面積表明，等離子體處理不同時(shí)間后，各個(gè)官能團(tuán)的含量發(fā)生變化，影響復(fù)合材料中纖維與樹脂之間化學(xué)鍵合作用的強(qiáng)弱，最終影響PBO/BMI復(fù)合材料ILSS值的變化

圖5



圖5氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面XPS的C1s 分峰譜圖

Fig.5XPS C1s spectra of the PBO fiber surface treated for different time by oxygen-DBD plasma (a) untreated; (b)12 s oxygen plasma treatment; (c) 24 s oxygen plasma treatment; (d) 36 s oxygen plasma treatment

對(duì)分峰處理后的C1s譜圖進(jìn)行面積積分(擬合峰與基線所圍成的封閉區(qū)域)后，可得到PBO纖維表面各官能團(tuán)含量隨等離子體處理時(shí)間的變化(表4) 經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理12 s后PBO纖維表面-C-C-基團(tuán)含量為60.54%，比未處理時(shí)有所下降，-O-C=O基團(tuán)從無(wú)到有，含量為3.16%，-O-C=N-基團(tuán)有較明顯下降，而-C-N-基團(tuán)的含量提高，為20.21% 其原因是，-O-C=N-基團(tuán)受到等離子體中活性粒子的破壞，并生成了一部分-O-C=O和-C-N-基團(tuán) 生成的-C-N-基團(tuán)抵消了其被等離子體破壞的量，反而使含量有所提高；處理時(shí)間延長(zhǎng)至24 s時(shí)-C-C-含量降低為52.98% 另外，-C-N-基團(tuán)含量為22.02%，-C-O-基團(tuán)和新生成的-O-C=O基團(tuán)含量上升分別上升為14.61%和5.04% 其原因是，氧氣等離子體引入的氧原子與纖維表面作用生成了這兩種基團(tuán)，而-O-C=N-基團(tuán)受到破壞，含量繼續(xù)降低為5.36%；處理時(shí)間為36 s時(shí)-C-C-基團(tuán)含量開始有所提高為63.34%，而-O-C=O基團(tuán)下降為4.56%，-C-O-基團(tuán)含量也下降至7.33% 同時(shí)，-C-N-基團(tuán)和-O-C=N-基團(tuán)也有所下降，分別為19.56%和5.21%

Table 4

表4

表4氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面各官能團(tuán)的含量

Table 4Concentration of functional groups on the PBO fiber surface treated for different time by oxygen-DBD plasma

Treatment time/s	Concentration of correlative functional groups/%
	-C-C-	-C-N-	-C-O-	-O-C=N-	-O-C=O
0	70.53	11.25	6.32	11.89	0
12	60.54	20.21	8.48	7.61	3.16
24	52.98	22.02	14.61	5.36	5.04
36	63.34	19.56	7.33	5.21	4.56

綜上所述，經(jīng)氧氣DBD等離子體處理后非極性的-C-C-基團(tuán)含量都有所下降，極性基團(tuán)的總含量提高，但各個(gè)基團(tuán)變化趨勢(shì)并不一致 這可能也是氧氣等離子體處理不同時(shí)間區(qū)域時(shí)PBO/BMI復(fù)合材料ILSS變化不成比例的原因 當(dāng)極性基團(tuán)含量提高時(shí)，PBO纖維表面極性上升有利于纖維表面浸潤(rùn)性的提高，可更好的潤(rùn)濕BMI樹脂，且在復(fù)合材料形成時(shí)化學(xué)反應(yīng)增多增強(qiáng) 這是提高纖維與樹脂之間界面粘結(jié)性能的一個(gè)重要原因 同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間(36 s)的氧氣DBD等離子體處理后PBO纖維表面基團(tuán)變化又出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的等離子體處理將纖維表面新產(chǎn)生的基團(tuán)破壞，反而使-C-C-基團(tuán)含量上升；于是，PBO纖維表面極性隨之下降，反應(yīng)活性降低，不利于進(jìn)一步提高復(fù)合材料ILSS值 由此可見，適當(dāng)?shù)牡入x子體處理時(shí)間是有效改善PBO/BMI復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的保證，太短或太長(zhǎng)都不能達(dá)到最佳效果

2.3 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO纖維表面形貌和粗糙度的影響

對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，纖維表面形貌和粗糙度對(duì)其界面粘結(jié)性能的影響至關(guān)重要 等離子體處理在纖維表面產(chǎn)生新的基團(tuán)堆積，高能粒子也刻蝕纖維表面形成小坑和溝壑；用SEM和AFM觀察了氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面的形貌，如圖6和圖7所示

圖6



圖6氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維的SEM照片

Fig.6SEM images of the PBO fiber treated for different time by oxygen-DBD plasma (a) untreated; (b) 12 s oxygen plasma treatment; (c) 24 s oxygen plasma treatment; (d) 36 s oxygen plasma treatment

圖7



圖7氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維的AFM圖

Fig.7AFM images of the PBO fiber treated for different time by oxygen-DBD plasma (a) before treated; (b) 12 s; (c) 24 s; (d) 36 s

從圖6可以看出，未經(jīng)等離子體處理的PBO纖維表面光滑，一些小的條紋；而經(jīng)過(guò)氧氣DBD等離子體處理12 s后，在PBO纖維表面出現(xiàn)凸起和缺陷(圖6b)，原因可能是等離子體中的高能粒子對(duì)纖維表面的刻蝕；隨著等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)(24 s)凸起和溝壑更加明顯，這是等離子體處理效果的積累；等離子體處理時(shí)間延長(zhǎng)到36 s則在PBO纖維表面出現(xiàn)明顯的剝離，纖維的本體結(jié)構(gòu)可能被破壞

從圖7可見，氧氣DBD等離子體處理12 s后在纖維表面出現(xiàn)許多凹凸不平，包括一些縱向分布的條紋狀刻痕；當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間延長(zhǎng)至24 s時(shí)纖維表面的凸起尺寸變大、條紋變深，形貌的變化更加顯著；延長(zhǎng)處理時(shí)間延長(zhǎng)到36 s時(shí)纖維表面的形貌更加復(fù)雜，出現(xiàn)一些大的堆積物 這表明，隨著氧氣DBD等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)纖維表面的形貌變得越來(lái)越復(fù)雜，刻蝕現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重

根據(jù)PBO纖維的3D形貌圖，使用AFM自帶軟件可計(jì)算出纖維表面粗糙度隨等離子體處理時(shí)間的變化，結(jié)果列于表5 從表5可見，未經(jīng)處理的PBO纖維其表面粗糙度Ra和Rq分別為192.4 nm和213.5 nm，用氧氣DBD等離子體處理12 s后PBO纖維表面粗糙度分別為Ra=232.5 nm、Rq=245.6 nm 而未經(jīng)處理的PBO纖維表面粗糙度為Ra=192.4 nm、Rq=213.5 nm；這表明，經(jīng)過(guò)12 s處理后纖維表面粗糙度有較大的提高 處理時(shí)間為24 s時(shí)纖維表面的粗糙度進(jìn)一步增大為Ra=291.7 nm、Rq=312.7 nm，與上述纖維表面形貌圖的變化趨勢(shì)一致；處理時(shí)間延長(zhǎng)到36 s纖維表面粗糙度達(dá)到最大值，分別為Ra=374.6 nm、Rq=401.3 nm

Table 5

表5

表5氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO纖維表面的粗糙度

Table 5Roughness values of the PBO fibers surface treated for different time by oxygen-DBD plasma

Treatment time/s	Ra/nm	Rq/nm
0	192.4	213.5
12	232.5	245.6
24	291.7	312.1
36	374.6	401.3

可以發(fā)現(xiàn)，在處理時(shí)間為36 s時(shí)PBO纖維表面粗糙度達(dá)到了最大值；而此時(shí)PBO/BMI復(fù)合材料的ILSS值卻只有54.3 MPa，其原因除了PBO纖維的表面極性和化學(xué)活性有所下降，也表明纖維表面粗糙度過(guò)大不利于復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的提高 因?yàn)榇植诙冗^(guò)大使樹脂不能在纖維表面完全鋪展，容易形成縫隙和缺陷而形成應(yīng)力集中

2.4 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度的影響

氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間的PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度，如表6所示 從表6可見，未經(jīng)處理的PBO纖維，其單絲拉伸強(qiáng)度為5624 MPa；經(jīng)過(guò)12 s氧氣DBD等離子體處理后單絲拉伸強(qiáng)度為5444 MPa，比處理前降低了3.2%；延長(zhǎng)處理時(shí)間為24 s則降低4.8%，為5352 MPa；而處理36 s后纖維單絲拉伸強(qiáng)度為4988 MPa，降低了11.3% 隨著等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)，PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度降低幅度越來(lái)越大；到36 s時(shí)則降低11.3%，說(shuō)明這時(shí)PBO纖維受到了等離子體嚴(yán)重的刻蝕，甚至產(chǎn)生了缺陷 這表明，因此，用氧氣DBD等離子體處理PBO纖維時(shí)，只有處理時(shí)間適當(dāng)才能改善PBO纖維的表面性能而不損害其本體性能

Table 6

表6

表6氧氣DBD等離子體處理不同時(shí)間后PBO 纖維的單絲拉伸強(qiáng)度

Table 6Single fiber tensile strength of the PBO fiber treated for different time by oxygen-DBD plasma

Treatment time/s	Single fiber tensile strength /MPa	Standard deviation /MPa	Decreasing rate/%
0	5624	358	0
12	5444	425	3.2%
24	5352	403	4.8%
36	4988	416	11.3%

3 結(jié)論

(1) 用氧氣DBD等離子體處理的PBO 纖維表面其元素組成仍然為C、O、N，但是含量發(fā)生較大的變化，其中氧含量提高，氮含量變化不大但是在過(guò)度處理時(shí)降低

(2) DBD等離子體處理使PBO纖維表面發(fā)生明顯的刻蝕，產(chǎn)生溝壑和凹凸不平，表面粗糙度明顯提高；這些變化是PBO/BMI 復(fù)合材料界面粘結(jié)性能提高的重要原因，而PBO纖維的單絲拉升強(qiáng)度在合理的處理?xiàng)l件下不會(huì)明顯降低 因此，必須選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)進(jìn)行PBO纖維的DBD等離子體處理

1 實(shí)驗(yàn)方法1.1 實(shí)驗(yàn)用原材料 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/table_thumbnail_icon.png"/>表1 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/table_thumbnail_icon.png"/>表 21.3 性能表征2 結(jié)果和討論2.1 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料ILSS的影響 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖4 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖5 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖6 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/table_thumbnail_icon.png"/>表52.4 氧氣DBD等離子體處理時(shí)間對(duì)PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度的影響表63 結(jié)論