【原】力学TOP期刊：等离子体改性UHMWPE纤维复合材料低速冲击性能研究

导读

超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）增强复合材料类由于具备高抗剪切性，高比吸能等特点在抗弹道冲击防护领域前景广阔。主要以层合板形式应用，但纤维表面惰性导致层间分层和界面脱粘失效问题，成为影响材料使用寿命和抗冲击强度的关键影响因素。低温等离子体利用高能粒子在纤维表面作用，通过控制不同的改性条件和加工工艺可在纤维聚合物表面形成活化，交联，沉积聚合和清洗刻蚀等改性效果，具有高效，简便和环境友好性等特点。低温等离子体装置也已向连续化处理发展（例如利用动态真空设备等），因而其在高性能纤维表面改性方面具有很好的发展前景。目前针对等离子体技术方面的探究一般仅集中在界面层次，对其层间性能和冲击性能的影响研究相对较少。

近日，河北科技大学贾立霞教授和阎若思博士课题组在《Composite Structures》上发表了题为“Synergetic enhancement of interfacial properties and impact resistant of UHMWPE fiber reinforced composites by oxygen plasma modification”的文章，团队利用低温氧等离子体的高效及可控性对超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）进行表面改性，并利用真空辅助树脂灌注成型工艺制备复合材料，结合声发射系统追踪监测改性前后复合材料的力学和破坏行为，并对不同改性程度下复合材料进行多次同位点低速冲击测试研究。阎若思博士为文章通讯作者，硕士研究生吴孟锦为文章第一作者。

内容简介

1 表征及界面剪切测试

高性能纤维增强复合材料的界面结合性能主要从表面润湿性，表面粗糙度及界面层单位面积的化学键密度三方面入手进行改善。在氧等离子体中，氧气分子被解离后变成高活性组分，例如O2+，O+，O-和O等多组分，在UHMWPE纤维聚合物上的主要反应是增加双键以及将CH键转化成羟基或羧基（图1a）。如图1（b）所示，随着改性功率的提高，UHMWPE纤维表面受到高能粒子冲击，逐步产生纵向沟壑，粗糙程度逐渐增加。但过高的处理功率导致产生的过高空间反应温度和高电子密度也会产生反向作用，使纤维表面的纵向刻蚀沟壑和含氧极性基团受到破坏。

图1 改性前后的UHMWPE纤维的FTIR光谱图和AFM图（b：不同改性功率）

如图2（a）所示，结合以上两种改性作用，纤维增强体表面润湿性产生显著变化，可加强纤维与树脂的浸润效果，有利于减少复合材料表面缺陷的产生，具有时效性，最后也可  稳定在亲水状态。利用纤维抽拔测试检测界面剪切性能变化，测试结果表明等离子体各改性参数间具有交互作用，界面剪切强度最高可提高91%（图2b）。

图2 （a）水接触角测试和（b）纤维复合材料界面剪切测试等高线图

2 表面缺陷

图3 (a-b)显示了未经处理和经过氧等离子体改性的复合材料的原始图像和反相图像的对比。纤维表面改性提高了复合材料粘合性能，其表面孔隙率从2.18%下降到1.21%。

图3 改性前后UHMWPE纤维复合材料表面缺陷对比图

3 拉伸性能

未改性复合材料的AE事件总数是改性复合材料的1.7倍，而总AE能量仅为72.73%。其中中等幅度事件（纤维抽拔和层间分层）的 AE 平均能量从56.65 mV*mS 增加到 856.68 mV*mS。表明复合材料界面结合力和层间韧性增强，促进能量吸收。其中高幅度事件（纤维断裂）声发射能量远高于低和中等幅度事件。

图4 拉伸测试复合材料损伤SEM图像，拉伸强力和声发射响应对比图：(a-c)未改性和(a'-c')氧等离子体改性

表1 改性前后UHMWPE复合材料的拉伸损伤表征及声发射响应结果对比表

（声发射发生事件数，声发射累积能量和平均声发射能量）

4 层间断裂韧性测试

图5为改性前后UHMWPE/乙烯基酯复合材料层间断裂韧性的载荷-位移曲线。据改性后复合材料裂纹扩展路径显示，增强体交织区交错部分具有阻碍应力波的传播作用, 浮线区域形成更多纤维桥联增韧效果。

图5 层间断裂韧性测试的复合材料损伤SEM图像：(a-b)未改性和(a ' -b ')氧等离子体改性

4 多次低速冲击测试

选择三种界面改性程度（改性功率分别为50W，150W和250W）的复合材料在同位点两次冲击实验，分别记为1-1st，1-2nd；2-1st，2-2nd；3-1st，3-2nd。压痕深度主要反映层内损伤状态，分层损伤面积主要反映层间损伤状态，基本呈正相关。最大冲击损伤投影面积和凹痕深度分别降低了 51.93% 和24%。将界面强度控制在一定范围内，第二次冲击冲击强力会高于第一次冲击，结构依然稳定。但改性程度过强，UHMWPE纤维复合材料韧性条件变差，直接发生脆性断裂，弹性应变能较差。

图6 不同等离子体改性条件下的冲击结果:(a)冲击力，(b)传递能量，(c)损伤面积和凹坑深度，(d)低速冲击试验冲击时间/中心位移曲线:(d1)0-1st，(d2)1-1st，1-2nd(d3)2-1st，2-2nd (d4)3-1st，3-2nd.

如图7所示，未改性复合材料在二次冲击后出现明显的表观皱缩和严重层间分层现象，变形程度大。随着界面结合强度的增加，改性复合材料逐渐形成以纤维断裂为主的能量耗散模式，最大限度地发挥了纤维的增强作用，稳定了内部结构。等离子体改性复合材料冲击表面破坏程度较小，冲击背部有纤维劈裂现象出现。

图7 冲击测试中复合材料SEM图和光学显微镜图:(a-b)未改性和(a ' -b ')氧等离子体改性；(c) 冲击损伤截面和正反面图

小结

文章基于氧等离子体对UHMWPE纤维的表面改性作用，实现纤维与树脂间界面增韧，提高各项力学性能的损伤阈值，有效改善抗低速冲击性能。通过合理调节低温等离子体改性参数，实现界面强度的可控调节，也为未来氧等离子体在高性能纤维表面改性上的应用提供了数据基础。