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超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强复合材料具有重量轻、强度高、抗冲击性能优异等特点。然而，当其受到破坏时，会出现多种破坏模式，面内刚度和强度会降低，并有可能导致整个结构的破坏。因此，如何提高其抗冲击损伤能力和分层能力成为研究的重点。等离子体改性是提高复合材料层间强度和断裂韧性的关键因素，是一种高效环保的技术，因此对多重等离子体改性高性能纤维的研究具有重要意义。 近日，中科院TOP期刊《Composite Structures》发表了河北科技大学关于多组分等离子体改性高性能纤维织物，提升其增强复合材料层间韧性的研究。论文标题为“Influence of Oxygen/Argon/Nitrogen multi-component plasma modification on interlayer toughening of UHMWPE fiber reinforced composites”。团队采用氧/氩/氮（O/Ar/N）等离子体对UHMWPE纤维织物进行改性，并对改性前后复合材料的抗弯性能、抗拉性能和层间断裂韧性进行测试，结合AE技术监测复合材料的动态损伤过程，研究O/Ar/N等离子体改性对提高复合材料层间韧性是否具有协同作用。阎若思教授为通讯作者，硕士研究生赵雨伟为文章第一作者。
1、润湿性能分析 O/Ar/N等离子体改性后UHMWPE纤维表面出现了C-O伸缩和分子间氢键的伸缩振动吸收峰，极性分子明显增加，纤维的水接触角和透湿率分别减小到31.03°和150.7g/(m2·h)，说明改性后纤维表面出现更多的亲水基团，为纤维表面提供了更多的极性位点，促进了纤维与树脂的结合（图1）。
应力-应变曲线下的面积表示断裂功，由图2可以看出O/Ar/N等离子体改性的复合材料吸收了更多的断裂能，具有更好的刚性和韧性。未改性复合材料的AE信号积累较多，而改性后AE信号累积数随气体组分增加而减少，说明内部损伤减轻，表明具有更好的界面结合能力，促进了能量的吸收。
O/Ar/N等离子体改性复合材料的极限断裂载荷最高，抗拉强度和模量更大。在复合材料达到极限值前会产生高能信号，是由于复合材料在抵抗外力时产生更多能量，并在内部结构被迅速破坏时释放。由图3可知，改性后的复合材料在纤维断裂、纤维桥接等增韧行为中会吸收更多的断裂能，从而获得较好的增韧效果。
O/Ar/N等离子体改性的复合材料积累了更多的能量，在抵抗外力时复合材料界面产生了较多的应力，相比未改性具有更优异的断裂韧性，从R曲线斜率的变化可以看出由多组分等离子体改性的复合材料裂纹扩展速度降低（图4），这是由于基体韧性增强和纤维桥接致密化所致。
复合材料的层间韧性取决于纤维和基体的结合，如图5所示，未改性的复合材料存在明显的基体开裂和界面脱粘。而O/Ar/N改性的复合材料的纤维与基体之间的粘接面积增加，界面脱粘等能量耗散机制不明显。说明改性后基体与纤维之间的结合性能显著增强。
该研究采用新型O/Ar/N等离子体对UHMWPE纤维进行改性，与双、单等离子体放电系统相比，多组分等离子体改性提高了复合材料的弯曲和拉伸性能，表现出更优异的纤维桥接能力，并且吸收断裂能增加，抗分层能力增强，形成了以纤维断裂为主的能量耗散机制，说明多组分等离子体改性对复合材料层间增韧具有协同作用。 |
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