等離子體表面處理對材料表面粗糙度的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-10-21

等離子體是指在放電或高能輻射的條件下，目標(biāo)氣體中的自由電子獲得極大動能，高速電子與氣體分子碰撞，使之激發(fā)或離解形成各種激發(fā)態(tài)的分子、原子、自由基和電子混雜的呈電中性的電離狀態(tài)。等離子體表面處理正是一種基于等離子體中產(chǎn)生的粒子與處理材料表面的相互作用，對目標(biāo)材料表面進(jìn)行活化、蝕刻甚至化學(xué)修飾和功能化的改性工藝。

以碳纖維為例來說明等離子體處理對材料表面粗糙度的影響

等離子體處理通常分為高溫處理和低溫處理兩種。目前適合碳纖維改性的冷等離子體處理可顯著地改善材料表面形貌和物化特性，而不顯著影響材料整體的力學(xué)性能，同時還可以實(shí)現(xiàn)纖維/基質(zhì)的界面性能和復(fù)合材料強(qiáng)度的提升。這是因?yàn)榈入x子體處理的轟擊會優(yōu)先除去碳纖維表面結(jié)合更弱的非晶碳，表現(xiàn)為碳纖維更大的表面粗糙度，但由于等離子體的作用深度一般在幾納米到幾百納米，故不會顯著改變碳纖維的結(jié)構(gòu)，其性能也不會有明顯下降。此外，等離子體在碳纖維表面噴濺，使得表面化學(xué)基團(tuán)重新組合，并引入了某些含氧或含氨的極性官能團(tuán)，改善了碳纖維的表面極性和粘附潛力，增強(qiáng)了物理結(jié)合以及纖維與聚合物基體的潤濕性，以進(jìn)一步提高界面粘附強(qiáng)度，但這一過程受到諸多因素的共同影響。

低溫等離子體與碳纖維表面的處理過程示意如下圖1所示。低溫等離子處理碳纖維表面時，高能粒子直接撞擊纖維表面，根據(jù)材料表面的物理相態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異，有選擇性地解離材料表面的原子/分子鍵。受到高能粒子的作用，材料表面原子/分子中的電子被激活，并與等離子體中的電子相互作用，形成活性位點(diǎn)與表面物理形貌的改變。

圖一等離子體纖維表面改性作用原理示意圖

在等離子體的作用下，對碳纖維進(jìn)行不同時間的改性處理，發(fā)現(xiàn)等離子體中高能粒子的轟擊造成了碳纖維的粗糙表面，其粗糙程度隨著處理時間的增加而加深如（圖2）所示。

圖二不同等離子體處理時間碳纖維的AFM圖像

材料經(jīng)過低溫等離子體處理后，會在材料表面發(fā)生刻蝕作用，從而引起材料表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即材料表面粗糙度增加，粗糙度增加會增大材料的比表面積，從而使材料表面對水的輸送能力增強(qiáng)，可增加材料表面的親水性。當(dāng)材料需要粘接或涂覆涂層時，粗糙度的增加可增加材料與涂層的接觸面積，增加機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度。