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常压等离子体处理三维芳纶机织物的渗透深度和其复合材料机械性能的研究

陈璇  
【摘要】:等离子体处理,作为一种重要的材料改性技术,可以用于改性材料表面的物理和化学性质,并且不影响材料的整体的性能。纤维与基体的粘结性事是决定纤维增强复合材料物理机械性能的关键。但是,大部分用于复合材料的纤维都不具备良好的与基体的粘结性。因此,等离子体处理技术就被广泛用于各种增强体纤维的表面改性。总的来说,经等离子体处理后的纤维增强复合材料,由于纤维和基体间的粘结性提高了,其整体机械性能随之提高。 另外,直接处理复合材料的预成形体,较处理纤维或者纱线更具有优势。因为纱线在被纺制成增强体织物之前可能会经历长时间的存储,随后才被基体浸润形成复合材料。由于等离子体处理作用的老化效应,等到纱线被最终固着在复合材料内时,等离子体处理的效用可能会大大减弱。同时,处理预成形体可以减少等离子体的使用量,节约能源,降低成本。 然而,在这种等离子体处理过程中,等离子体能够渗透预成形体的深度决定了等离子体处理的效力。对于等离子体处理深度的探索目前仅限于二维简单织物,但是对于等离子体处理复杂结构的预成形体,如三维机织物,却鲜有报道。然而三维机织复合材料凭借其优良的耐损伤性和抗层间分离能力在工业中的应用日趋频繁。因此,对于等离子直接处理预成形体技术能否应用于三维机织复合造材料,等离子体对三维机织物的渗透深度是多少,处理后复合材料机械性能的改变情况等问题的探索是非常有意义的。 本论文研究利用空气常压等离子体,分别对芳纶三维机织正交复合材料表面进行单面和双面处理,以研究等离子体处理在织物中的渗透深度和对最终复合材料机械性能的影响。对于单面处理的三维织物,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、动态接触角和抽拔测试,研究织物中不同层的纤维的性能变化,包括:表面形态、化学组分、亲水性以及和树脂的粘结性能。同时,对于双面处理的三维织物,制成复合材料,并通过弯曲测试,研究其弯曲性能的变化。实验结果显示:处于织物最外层的纤维,其表面粗糙度、化学键、亲水性和粘结性都有明显的增加,对于内层纤维处理效果减弱。在织物第三层处的纤维,其性能基本与未处理过的纤维一致。另外,三点弯曲测试结果显示:三维芳纶复合材料,在经等离子体处理增强体后,弯曲强度提高了11%,弯曲模量提高了12%。这些实验结果表明:当增强体织物的层数小于四层时,可以用直接对织物表面进行等离子体处理来代替纤维处理,达到改善复合材料机械性能的目的。


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