引言超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)增强复合材料因其高抗剪切性和高比能量吸收性，在弹道冲击防护领域具有广阔的前景。主要用作层压板，但纤维表面的惯性导致脱层和界面脱粘失效，是影响材料使用寿命和冲击强度的关键因素。低温等离子体利用高能粒子作用于纤维表面。通过控制不同的改性条件和加工工艺，可以在纤维聚合物表面形成活化、交联、沉积聚合、清洗、刻蚀等改性效果，具有高效、简单、环保的特点。低温等离子体装置也发展到连续处理(例如，使用动态真空空设备等)。)，因此在高性能纤维的表面改性方面具有良好的发展前景。目前对等离子体技术的研究一般只集中在界面层面，对其中间层性能和冲击性能的研究相对较少。近日，河北科技大学贾教授和严若思博士研究组发表了题为《复合材料结构中纤维增强复合材料界面性能和抗冲击性能的协同增强》的论文。o sites by oxygen plasma modification”，团队利用低温氧等离子体的高效可控性对超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)进行表面改性，并采用real 空辅助树脂注射成型工艺制成复合材料。结合声发射系统，对复合材料改性前后的力学和破坏行为进行跟踪监测，并对不同改性程度的复合材料在同一点进行多次低速冲击试验。严若思博士是本文通讯作者，研究生吴是本文第一作者。引言1表征与界面剪切测试高性能纤维增强复合材料的界面结合性能主要从界面层的表面润湿性、表面粗糙度和单位面积化学键密度三个方面来改善。在氧等离子体中，氧分子离解成高活性组分，如O2+、O+、O-和O等。UHMWPE纤维聚合物的主要反应是增加双键并将CH键转化为羟基或羧基(图1a)。如图1(b)所示，随着改性功率的增加，UHMWPE纤维表面受到高能粒子的冲击，产生纵向沟壑，粗糙度逐渐增大。而过高的反应温度和过高的处理功率导致的高电子密度也会产生反作用，破坏纤维表面的纵向刻蚀沟壑和含氧极性基团。图1 UHMWPE纤维在改性前后(B:不同的改性功率)的FTIR光谱和AFM图如图2(a)所示。结合以上两种改性，纤维增强体的表面润湿性发生显著变化，可以加强纤维与树脂的润湿效果，有助于减少复合材料的表面缺陷，并且具有时效性，最终可以稳定在亲水状态。纤维拉伸试验用于检测界面剪切性能的变化。测试结果表明，等离子体改性参数之间存在交互作用，界面剪切强度最高可提高91%(图2b)。图2 (a)水接触角测试的等高线和(b)纤维复合材料的界面剪切测试图2表面缺陷图3 (a-b)显示了未处理和氧等离子体改性的复合材料的原始图像和反转图像之间的比较。纤维的表面改性提高了复合材料的粘接性能，其表面孔隙率从2.18%下降到1.21%。图3 UHMWPE纤维复合材料改性前后表面缺陷对比图3未改性复合材料的声发射事件总数是改性复合材料的1.7倍，而总声发射能量仅为72.73%。中等幅值事件(纤维拉伸和层间分层)的声发射平均能量从56.65 mV*mS增加到856.68 mv * ms，表明复合材料的界面结合和层间韧性增强，能量吸收得到促进。高振幅事件(纤维断裂)的声发射能量远高于中低振幅事件。图4拉伸试验复合材料的SEM图像、拉伸强度和声发射响应对比:(a-c)未改性复合材料和(a’-c’)氧等离子体改性复合材料表1 UHMWPE复合材料改性前后拉伸损伤表征和声发射响应结果对比表(声发射事件数、 声发射累积能量和平均声发射能量)4层间断裂韧性试验图5根据改性复合材料的裂纹扩展路径，显示了改性前后UHMWPE/乙烯基酯复合材料的载荷-层间断裂韧性，增强体交织区的交错部分阻挡了应力波的传播，浮线区形成更多的纤维桥联增韧作用。 图5复合材料在层间断裂韧性试验中损伤的SEM图像:(a-b)未改性和(a' -b ')经氧等离子体改性。进行了四次低速冲击试验。三种具有界面改性程度的复合材料(改性功率分别为50W、150W和250W)在同一位置进行两次冲击试验，分别记为1-1和1-2。2-1st，2-2nd；3-1，3-2 .压痕深度主要反映层内的损伤状态，脱层损伤面积主要反映层间的损伤状态，基本呈正相关。最大冲击损伤投影面积和凹痕深度分别下降了51.93%和24%。如果将界面强度控制在一定范围内，第二次冲击的冲击强度会高于第一次冲击，结构保持稳定。但是，如果改性程度过强，UHMWPE纤维复合材料的韧性条件变差，直接发生脆性断裂，弹性应变能差。图6不同等离子体改性条件下的冲击结果:(a)冲击力，(b)能量传递，(c)损伤面积和凹坑深度，(d)低速冲击试验的冲击时间/中心位移曲线:(d1)0-1st，(d2)1-1st，1-2nd(d3)2-1st，2-2nd(随着界面结合强度的增加，改性复合材料的能量耗散模式逐渐形成，主要集中在纤维断裂，最大限度地发挥纤维增强作用，从而稳定内部结构。等离子体改性复合材料的冲击表面损伤较小，冲击背面出现纤维劈裂。图7冲击试验中复合材料的SEM和光学显微镜:(a-b)未改性和(a’-b’)氧等离子体改性；(三)冲击损伤截面及前后视图汇总基于氧等离子体对UHMWPE纤维的表面改性，使纤维与树脂界面增韧，提高了各种力学性能的损伤阈值，有效提高了低速抗冲击性能。通过合理调节低温等离子体的改性参数，可以实现界面强度的可控调节，这也为今后氧等离子体在高性能纤维表面改性中的应用提供了数据基础。文章免费下载链接(2022年6月24日前)点击左下角“阅读原文”即可下载。原始凭证在孟金武、李夏甲、陈、阎若思*。氧等离子体改性协同增强UHMWPE纤维增强复合材料的界面性能和抗冲击性能。复合结构，2022，292，115663。专注于复合材料力学领域的知识创造与分享，是国内复合材料领域有影响力的技术交流平台之一，第一时间更新复合材料前沿技术。”聚焦前沿，引领未来”，复合材料力学公众平台期待您的关注！
