等离子体处理的时效性对芳Ⅲ/双马复合材料耐湿热性能的影响

王静，孟伶智，任航，冯佳月，时晨，任荣

（沈阳航空航天大学 航空航天工程学部辽宁省先进聚合物基复合材料制备技术重点实验室，沈阳 110136）

芳Ⅲ纤维是由中蓝集团晨光化工研究院自主研发的一种高性能特种纤维（结构类似俄罗斯 Armos纤维），它具有高强度、低密度、抗腐蚀、抗降解、耐高温、高透波率等一系列优异性能，主要应用于航空航天及国防工业领域，如航空高压容器、飞行器结构材料、防弹装甲材料、固体火箭发动机壳体等[1-3]。芳Ⅲ纤维是支撑当代航天航空、军事工业等尖端产业的核心基础材料和直接影响国家安全利益的战略物资，具有广阔的市场前景和迫切的现实需求。芳Ⅲ纤维表面光滑、缺乏活性基团，导致芳纶纤维与树脂基体的界面结合强度低。因此，为了提高芳纶III纤维复合材料的性能，保证承力结构件整体性能的稳定性，芳Ⅲ纤维表面改性势在必行。等离子体处理手段具有高效、无污染以及操作简单等特点，在保证纤维本体结构基本不受影响的同时，可以大幅度提高纤维与树脂间的界面粘结强度，是一种有效的纤维表面改性方法之一[4-10]。等离子体处理纤维表面也存在一些不足，随着在空气中储存一定时间后，经过处理的纤维表面会发生退化效应，即纤维表面等离子体处理的时效性[11-14]。等离子体处理的时效性将对纤维增强复合材料界面起到一定的消极作用。因此，对等离子体处理时效性的研究对复合材料的制备具有重要意义。

文中利用氧气等离子体处理芳Ⅲ纤维表面，考察等离子体处理前后及其时效性对芳Ⅲ/双马复合材料的弯曲强度、界面性能及耐湿热性能的影响。利用万能材料试验机对水煮前后复合材料的弯曲强度和层间剪切强度进行测试。通过扫描电子显微镜对等离子体处理前后及其时效后复合材料层间剪切破坏形貌进行观察。

1 试验

1.1 原料

试验所用材料：芳Ⅲ纤维(F-368)，由中蓝集团晨光研究院提供，直径为15 μm，线密度为200 tex；双马来酰亚胺（bismaleimide, BMI）树脂, 型号为QY8911- II，由北京航空制造工程研究所提供。

1.2 芳Ⅲ表面等离子体改性

为去除芳纶纤维表面的上浆剂和污染物，首先用丙酮浸泡24 h，然后在真空烘箱中充分干燥，备用。利用射频耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma,ICP）处理芳Ⅲ纤维表面。工作气氛为氧气；工作气压为30 Pa；放电功率为200 W；放电时间为15 min。将等离子体处理后的纤维样品放在铝制盒中。时效时间为3天，室温23 ℃，相对湿度为40%。

1.3 复合材料制备

首先，配置质量分数为 40%的双马/丙酮溶液，再将等离子体处理前后和时效后的芳Ⅲ通过预浸渍工艺制备出芳Ⅲ/双马预浸带薄片。最后，通过高温模压成型技术制备单向复合材料板[15]。

1.4 性能测试

吸水率测试：将30 mm×50 mm×2 mm大小的单向纤维复合板浸入到（98±2）℃的沸水中，保持水温不变，在间隔一定时间内将单向复合板取出并擦干其表面的水分，称量单向复合板的质量，根据式（1）计算得到复合材料的吸湿率，并通过计算复合材料的吸湿率（m）与时间（t）的关系获得复合材料的吸湿曲线。

式中：M0为单向复合板的初始质量；Mt为t时刻单向复合板的质量。

复合材料弯曲性能测试：根据GB/T 1449—2005将单向复合材料板切割成标准试样，利用万能材料试验机（岛津AG-2000A）测试复合材料的弯曲强度。试样尺寸为40 mm×15 mm×2 mm，跨度比为 16：1，压头半径为10mm，压机速度为2 mm/min。

复合材料层间剪切强度测试：根据 GB 3357—82，将单向复合材料板切割成标准试样，利用万能材料试验机（岛津AG-2000A）测试复合材料的层间剪切强度。试样尺寸为25 mm×6 mm×2 mm，跨度比为5：1，压头半径为2 mm，压机速度为2 mm/min。

利用扫描电镜（日立公司SU3500型）对等离子体处理前后和时效后的复合材料层间剪切破坏形貌观察。放大倍数为500倍。

2 结果及分析

2.1 对吸水率的影响

复合材料经过一定时间水煮后，其吸水量的多少可间接地反映出复合材料界面粘结的好坏。未处理的、等离子体刚处理过的和等离子体处理后在空气中放置三天后的纤维复合材料吸水率的变化如图 1所示。可以看出，未经等离子体处理的复合材料 24 h吸水率为0.51%，等离子体刚处理过的复合材料24 h吸水率为0.33%。与未处理的复合材料相比，经过等离子体处理后的复合材料吸水率明显下降，由此说明经过等离子体处理后复合材料的界面性能有所提高，从而阻碍了水分沿着纤维和树脂的界面进入到复合材料的内部。等离子体处理时效后的复合材料 24 h吸水率为0.69%，较等离子体刚处理的复合材料吸水率增加了一倍多，较未经等离子体处理的复合材料吸水率也明显增加。由此可见，等离子体处理的时效性对复合材料的界面性能有显著影响。

2.2 对弯曲强度的影响

为考察等离子体处理及其时效性对复合材料弯曲性能和耐湿热性能的影响，分别对吸湿前后的复合材料弯曲性能进行了测试，如图2所示。从图2可见，未经等离子体处理的复合材料水煮前后的弯曲强度分别为808 MPa和587 MPa；经等离子体处理后的复合材料水煮前后的弯曲强度分别为 810 MPa和 604 MPa；等离子体处理时效后的复合材料水煮前后弯曲强度分别为806 MPa和596 MPa。弯曲强度的保持率分别为 72.6%，74.6%和 73.9%。由此可见，等离子体处理及其时效性对复合材料弯曲强度的耐湿热性能影响不大。

2.3 对界面性能的影响

为进一步验证等离子体处理及其时效性对复合材料界面性能和耐湿热性能的影响。分别对吸湿前后的复合材料层间剪切强度进行了测试，如图3所示。可以看出，未经等离子体处理的复合材料水煮前后层间剪切强度强度分别为49.4 MPa和46.1 MPa，层间剪切强度的保持率为93.4%；等离子体处理的复合材料水煮前后层间剪切强度强度分别为 62.9 MPa和60.8 MPa，层间剪切强度的保持率为96.5%；时效后的复合材料水煮前后层间剪切强度分别为 56.0 MPa和50.2 MPa，层间剪切强度的保持率为89.6%。另外，与等离子体刚处理的复合材料界面性能相比，等离子体时效后的复合材料的层间剪切强度由62.9 MPa下降到 56.0 MPa，下降了10.9%；经24 h水煮后，复合材料的层间剪切强度由 60.8 MPa 下降到 50.2 MPa，下降了17.4%。由此可见，等离子体时效性对复合材料界面性能及其耐湿热性能有显著影响。这可能是由于等离子体处理后的纤维在空气中放置一定时间后，纤维表面结构发生改变，在与双马树脂复合的过程中化学键接作用削弱，进而导致复合材料界面粘结强度下降。

2.4 对界面破坏形貌的影响

等离子体处理及其时效性对复合材料层间剪切破坏形貌的影响如图4所示。与未处理的复合材料界面破坏形貌（见图 4a）相比较，经等离子体处理后（见图 4b），纤维与树脂紧密地粘附在一起，纤维表面粘有大量的树脂，复合材料的层间剪切破坏基本发生在纤维本体或者树脂基体的破坏处。从图 4c可见，纤维表面粘附的树脂很少，复合材料的层间剪切破坏大多发生在纤维与树脂的界面处。由此说明，等离子体时效性对复合材料的界面粘结情况有很大影响。经等离子体处理之后，为避免时效性带来的负面影响，应尽快与树脂基体复合制备出复合材料，或者将等离子体处理后的纤维在适当的环境（湿度和温度下）封存起来以备用。

3 结论

1）等离子体处理能够提高复合材料的界面粘结强度。层间剪切强度由未处理时的49.4 MPa提高到62.9 MPa。

2）等离子体处理时效后，复合材料界面性能及其耐湿热性能均有所下降。复合材料的弯曲强度及其耐湿热性能变化不大。

3）等离子体处理时效后，复合材料的界面破坏模式由等离子体刚处理时的基体或纤维本体破坏转变为界面破坏。

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