混氧等离子体射流对CFRP表面性质及粘接强度的影响

刘新，张忠涛，刘吉宇，沈海洋，关乃侨，周瑜阳，陈发泽

混氧等离子体射流对CFRP表面性质及粘接强度的影响

刘新1，张忠涛1，刘吉宇1，沈海洋1，关乃侨1，周瑜阳1，陈发泽2

（1.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116023；2.天津大学 机械工程学院，天津 300350）

探究不同氧气含量下大气压混氧等离子体射流特性，分析其对碳纤维复合材料（CFRP）表面理化性质的影响，研究其改善表面浸润性及粘接强度的机理。采用大气压介质阻挡放电（DBD），产生氦氧混合等离子体射流，对CFRP表面进行处理，研究了不同氧气体积分数射流对CFRP表面的作用效果，确定了相对较佳的氧气体积分数。借助接触角测量仪、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱仪（XPS）等表面分析手段，对处理前后CFRP表面的润湿性、微观形貌、粗糙度和化学成分等进行测试分析。采用环氧树脂胶粘剂，分别对射流处理前后的CFRP与铝合金表面进行粘接，并测试不同表面的粘接强度。随着氧气体积分数的增加，射流长度变短，温度逐渐下降。氧气处理所得表面的浸润性相比未混氧射流处理所得表面的浸润性明显提高。当氧气体积分数为0.75%时，所得表面浸润性相对最好。与纯氦等离子体射流相比，混氧射流处理后，表面环氧树脂铺展速率更高，说明表面对胶粘剂的亲和性相对较好，所得表面粗糙度也相对更低。XPS测试结果表明，混氧射流处理所得表面含氧官能团含量更高，表面能相对较高，故表面润湿性较好。当氧气体积分数为0.75%时，混氧射流可更好地改善CFRP表面的浸润性，表面接触角由15.2°减小至接近0°，所得表面更平整，粘接强度相比未处理表面可提升约429.1%。

碳纤维复合材料；大气压等离子体射流；氦氧等离子体；粘接强度；表面改性

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）具有较高的比强度和刚度，能适应轻量化生产要求，广泛应用于汽车制造、航空航天等领域[1-2]。波音787 Dreamliner的机身和机翼等主要结构使用了50%的CFRP和GFRP等复合材料；同样，空客A320中有25%是由复合材料构成[3]。在实际应用中，CFRP常与其他金属材料连接以形成完整的结构[4]，如CFRP/铝合金、CFRP/钛合金等结构。CFRP与金属材料的连接过程多采用机械连接和粘接等方法，其中粘接法具有质量轻、应力分布均匀、密封性好等优点。但CFRP表面对环氧树脂、丙烯酸等胶粘剂的亲和性较差，导致粘接强度相对较低，这限制了CFRP的广泛应用。因此，通过表面预处理，提高CFRP表面对胶粘剂的亲和性，对建立可靠的粘接结构、拓展材料应用具有重要意义。目前，研究人员已提出喷砂处理[5-6]、激光处理[7-9]、火焰处理[10]、化学处理和大气压等离子体射流处理[11-13]等多种预处理方法，通过提高CFRP表面润湿性或改变表面微观结构，以提高表面对胶粘剂的亲和性。其中，大气压等离子体射流处理法（Atmospheric Pressure Plasma Treatment，APPT）通过提高表面润湿性，可有效改善表面粘接强度，改性过程不会造成环境污染，且对CFRP的机械性能无明显不利影响，已被广泛应用于CFRP表面的改性。

刘晓东等[14]采用大气压空气等离子体射流处理CFRP表面，发现经等离子体处理后，表面润湿性和表面能得到提高，表面形成了微米级沟壑，采用环氧树脂胶粘剂的粘接接头的拉剪强度显著增大。Lin等[15]研究了大气压氩气、氮气、空气等离子体对CFRP与胶粘剂界面结合强度的影响，由于去除了表面污染物，并在CFRP表面形成了极性化学基团，界面的结合强度得到明显改善。Chris等[16]对CFRP进行了大气压等离子体处理，同样发现等离子体提高了表面润湿性。上述研究表明，大气压等离子体射流可有效改善CFRP表面润湿性，进而提高粘接强度，对CFRP材料在航空航天等领域的推广应用有积极意义。但以往研究中多采用单一高纯气体作为反应气，由于这些气体中不含氧、氢等元素，导致等离子体中对表面改性起主要作用的羟基（—OH）、氧原子（O）等活性粒子浓度较低。近年来，国内外学者提出，在工作气体中混入氧气，以提高所得等离子体射流中活性粒子的浓度，采用所得混氧等离子体射流对多种聚合物材料开展改性试验发现，改性效率可明显提升。Fang等[17]采用氩气混氧等离子体射流处理PET膜，发现添加少量氧气即可显著提高改性效率，当工作气体中氧气体积分数为0.3%时，所得表面润湿性最好。Nejatbakhsh等[18]采用大气压He/2%O2等离子体处理超高分子量聚乙烯（UHMWPE），结果表明，处理后的UHMWPE具有更高的表面自由能和生物活性，有利于细胞的粘附。Ren等[19]的研究结果表明，大气压He/O2等离子体处理后的聚乙烯纤维具有更低的接触角和更高的与环氧树脂界面的剪切强度。由上述研究可知，在高纯气体中混入氧气后，所得等离子体射流对聚合物表面的改性效果明显提升。因此，如能将混氧等离子体射流应用于CFRP表面改性，则有望进一步提高所得CFRP表面对胶粘剂的亲和性，从而提高CFRP与其他材料的粘接强度，拓展其在各领域的应用，但目前关于混氧等离子体射流对CFRP粘接强度作用机理及影响规律的相关研究尚未见报道。

本文将氧气混入高纯氦气中作为工作气体，通过改变工作气体中的氧气体积分数，获得了不同氧气体积分数的大气压等离子体射流（Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ）。在研究所得等离子体射流特性的基础上，采用不同氧气体积分数的等离子体射流处理CFRP表面，测试了所得表面的润湿性、对环氧树脂胶粘剂的亲和性、表面形貌、化学成分及表面与航空用7075铝合金的粘接强度。试验结果表明，当工作气体中的氧气体积分数为0.75%时，所得射流对CFRP表面的改性效率相比未混氧射流有明显提升，所得表面与铝合金的粘接强度也得到明显提高。对比处理前后CFRP表面的微观结构发现，混氧射流在具有更高改性效率的同时，所形成的表面微观结构相对平整，在CFRP材料改性领域具有广阔应用前景。

1 试验

1.1 材料

CFRP材料购买自山东威海市光威复合材料有限公司，厚度为1.5 mm，复合板由Toray T300平纹碳纤维单向编织织物和环氧树脂组成。7075铝合金购买自广东深圳市宏旺模具材料有限公司，厚度为1.5 mm。乙醇购买自天津市科密欧化学试剂有限公司。本研究使用的胶粘剂为3M DP460双组分环氧树脂室温固化剂，其特性列于表1[20]。

表1 3M DP460胶粘剂特性

Tab.1 Properties of 3M DP460 adhesive

1.2 等离子体发生装置

本研究中所采用的等离子体放电装置如图1所示，内径为2.5 mm、外径为4 mm的玻璃管为放电介质层，将直径为2 mm的不锈钢针头插入玻璃管作为高压电极，在玻璃管外缠绕铜胶带（宽5 mm）作为低压电极，以构建针环型放电单元。工作气体由两路独立气流组成，分别为高纯氦气、高纯氧气（纯度≥99.999%，大连特种气体有限公司）；通过流量质量控制器（Mass Flow Controller, Sevenstar, CS200, 中国）控制工作气体中的氦气及氧气流量。试验过程中，氦气流量为2.5 L/min，通过改变氧气流量，即可获得氧气体积分数为0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%和1.5%的工作气体。将工作气体通入玻璃管中，采用交流电源（南京苏曼, CTP-2000K）在高压、低压电极间施加电压。适当调节施加电压及频率，即可获得不同氧气体积分数的大气压氦气混氧等离子体射流。采用示波器（Tektronix, DPO 2014B, 美国）配合高压探头（Tektronix, P6015A, 美国）和电流线圈（Pearson, 2877, 美国）测量放电电压和放电电流。采用红外热成像仪（FLIR, E6, 美国）测量等离子体射流的宏观温度。

图1 等离子体处理过程示意图

1.3 表面预处理

在表面处理前，将切割好的CFRP和铝合金材料分别用乙醇和去离子水超声清洗3 min，以除去表面油污和灰尘，并用压缩空气吹干，备用。剪切试样的形状和尺寸（根据GB/T 7124—2008）如图2a所示。分别采用不同氧气体积分数的等离子体射流对CFRP表面进行处理，处理过程中射流放电电压为3.74 kV，频率为60 kHz，工作气体流量为2.5 L/min，电极喷嘴出口距待处理表面垂直距离为3 mm。由于射流处理区域有限，采用G代码控制如图2b射流运动轨迹，对CFRP表面进行扫描处理，扫描速度为10 mm/s，扫描次数为10次，如表2所示。采用Nd:YAG激光对铝合金表面进行扫描处理（扫描速度为200 mm/s，频率为20 kHz，功率为18 W），以去除铝合金表面因暴露于空气中形成的亲水性较差的氧化铝薄膜。

图2 粘结强度测试过程

表2 等离子体处理CFRP参数

Tab.2 Plasma treatment parameters for CFRP

1.4 CFRP表面性质分析

使用尼康相机（D7200）拍摄水滴在不同射流处理所得CFRP表面的铺展情况，并计算铺展面积，以研究射流处理对CFRP表面润湿性的影响。为便于观测，将红色水基染料加入到去离子水中。采用光学接触角测量仪（KINO, SL200KS, 美国）观测样品表面水接触角随时间的变化，取五次测试结果的平均值作为试验结果。在测试表面润湿性的基础上，为探究不同射流处理后所得CFRP表面对胶粘剂的亲和性，以环氧树脂胶粘剂为测试液滴，测量了环氧树脂在CERP表面接触角的变化和铺展速率。采用扫描电子显微镜（Zeiss, SUPARR55, 德国）和原子力显微镜（Bruker, Dimension Icon, 德国）测试等离子体处理前后样品表面微观形貌和粗糙度的变化。采用X射线光电子能谱仪（ThermoFisher, ESCALAB 250Xi, 美国）测试射流处理前后样品的表面化学成分。测试完成后，以284.6 eV处C 1s为基准峰，对全谱荷电校正，采用XPSPeak v4.1软件，对处理前后CFRP表面的高分辨率C 1s峰进行拟合。

1.5 粘接强度测试

将3M DP460粘合剂的两种成分用玻璃棒混合后，均匀涂覆在预处理后的CFRP和铝合金表面，将组装好的样品加压固定并在室温环境中放置12 h，以发挥其最大粘接性能，借助0.4 mm玻璃珠控制胶粘剂厚度。粘结强度测试过程如图2c所示。根据测试标准GB/T 7124—2008，使用配备10 kN传感器的伺服液压测试机（Instron, 5576A, 美国），以5 mm/min的加载速度进行粘接强度测试。对于不同样品，取5次试验所得平均值作为试验结果，所有测试均在常温常压下进行。

2 结果及分析

2.1 大气压等离子体射流特性

在大气压冷等离子体射流对CFRP等复合材料的改性过程中，射流长度和温度对改性效果有重要影响。为确定适合用于CFRP改性的混氧等离子体射流，本文首先研究了不同氧气体积分数等离子体射流的长度、温度等特性。如图3a、d所示，随着氧气体积分数的增加，射流长度逐渐变短，由32 mm减少至17 mm；颜色逐渐变暗，由蓝色变为淡紫色。射流长度及颜色随工作气体、混氧比例的变化在以往研究中已见报道[21-22]。由于氧气为电负性气体，随着氧气体积分数的增加，工作气体击穿更困难，在相同放电电压下，导致等离子体射流长度有所缩短[17]。测试不同氧气体积分数射流宏观温度（图3c）发现，随着氧气体积分数的增加，射流温度由约104 ℃降至约69.5 ℃。由于较高温度易导致表面热损伤，较低的宏观温度有助于实现对CFRP表面的低损伤改性。由此可见，随着氧气体积分数的增加，射流长度有所缩短，温度逐渐降低，射流特性的变化将对改性过程有明显影响。

本文后续将结合不同氧气体积分数下CFRP表面的试验效果，以确定合适的氧气体积分数，进而更好地改善CFRP的润湿性和粘接性。

2.2 液滴铺展特性

样品表面润湿性与粘接强度密切相关[23-24]。为探究不同氧气体积分数射流对CFRP表面润湿性的影响，测试了经不同射流处理后所得表面的水滴接触角和铺展面积。如图4a、b所示，未处理CFRP表面的水接触角约为86°；经未混氧的纯氦等离子体射流处理后，水接触角降至约15.2°；经混氧射流处理后，水滴在表面完全铺展，接触角接近0°。采用红色水基染料对去离子水进行染色，以便于观察水滴在CFRP表面的铺展情况。如图4a所示，未处理CFRP表面水接触角较大，水滴难以完全铺展，铺展面积约为14.6 mm2；经未混氧的纯氦等离子体射流处理后，水滴在表面的铺展面积增至约36.4 mm2。随着氧气体积分数的增加，射流处理所得表面的水滴铺展面积先增加后减少。当工作气体中的氧气体积分数为0.75%时，铺展面积相对最大，可达约58.3 mm2；继续增加氧气体积分数发现，水滴在射流处理所得表面的铺展面积有所下降。这是由于氧气的电负性抑制放电，导致射流长度缩短，影响了射流对表面的改性效果。由此可见，含氧比例为0.75%的工作气体所得射流相对更适合用于对CFRP表面的改性。

图3 混氧等离子体射流特性

图4 环氧树脂在CFRP表面的铺展特性

在实际应用中，CFRP表面与其他材料间需采用胶粘剂进行连接，因此在研究表面水接触角的基础上，测试射流处理前后CFRP表面对胶粘剂的亲和性具有重要意义。为测试CFRP表面对胶粘剂的亲和性，将环氧树脂胶粘剂滴于CFRP表面，采用接触角测量仪观测胶粘剂接触角随时间的变化。如图4c所示，胶粘剂在未处理CFRP表面上的初始接触角（0 s时）约为60°；随着胶粘剂在表面逐渐铺展，接触角逐渐减小，并在12 s时达到稳定状态，此时接触角约为35°。经未混氧的纯氦射流处理后，胶粘剂在表面的接触角明显减小，在12 s时约为16°，如图4d所示。而采用氧气体积分数为0.75%的混氧射流处理表面后，胶粘剂在表面的初始接触角降至约46°，铺展12 s后仅为9°，相比未处理表面降低约74.3%，相比未混氧射流处理表面降低约54.3%。试验结果表明，在工作气体中混入氧气，可有效提升射流处理后CFRP表面润湿性及对胶粘剂的亲和性。

2.3 表面形貌

表面润湿性主要由表面微观结构、化学成分决定。为研究等离子体射流对表面润湿性的作用机理，首先采用SEM观测了改性前后CFRP表面的微观结构，结果如图5所示。由图5可知，未处理表面未观测到明显的微观结构（图5a）；经未混氧的纯氦射流处理后，表面出现因刻蚀所致的纳米级粗糙结构（图5b）；混入0.75%氧气，射流处理后的表面相对纯氦射流表面更平整，如图5c所示。在射流处理前，CFRP表面一般存在脱模剂等表面污染物。纯氦射流作用下，脱模剂被部分刻蚀，导致表面出现因刻蚀不均匀所致的纳米级粗糙结构。在混入氧气后，射流中强氧化性粒子浓度更高，表面脱模剂被充分去除，因此表面结构相对平整。

图5 CFRP样品扫描电镜形貌

润湿性及SEM测试结果表明，当氧气体积分数为0.75%时，射流处理CFRP表面润湿性相对更好，且能有效去除表面层污染物，由此可见，该氧气体积分数所得射流有望实现对表面的高效、低损伤改性。为验证该射流对表面形貌的作用效果，采用AFM对比观测未处理、未混氧的纯氦等离子体射流处理及氧气体积分数为0.75%的等离子体射流处理所得表面形貌和表面粗糙度，如图6所示。由图6a可知，未处理样品表面较为平整，表面粗糙度约为3.3 nm，表面仅存在生产储存过程中的划痕，本征接触角为86°；采用未混氧的纯氦等离子体处理后，表面出现明显粗糙结构，表面粗糙度增大至约10.8 nm，接触角约为15°，如图6b所示；而经氧气体积分数为0.75%的射流处理所得表面则明显更平整，表面粗糙度约为4.8 nm，接触角接近0°。

氧气体积分数为0.75%的射流所得的表面，较平整却具有相对更好的润湿性。由Wenzel理论（式（1））可知[25-27]，表面润湿性与表面粗糙度和表面张力有关。对于本征亲水的CFRP材料，表面微观结构有助于改善材料表面的润湿性，降低表面接触角。由公式(1)可知，此时W应随着的增大而减小，但由于cos的值较小，而不同方法处理所得CFRP表面的粗糙度相差不大（在同一数量级）。由此推测，与未混氧等离子体相比，混氧等离子体处理所得表面相对较低的表面粗糙度，将导致表面接触角相对较大，但影响较为有限，表面张力或为影响润湿性的主要原因。AFM及SEM测试结果表明，与纯氦射流处理所得表面相比，氧气体积分数为0.75%射流处理所得表面在具有较好润湿性的同时，去除了表面污染物，表面粗糙度相对更低，表面质量更好。

图6 CFRP样品表面三维原子力显微镜形貌

综上所述，当混氧体积分数为0.75%时，这种等离子体处理表面质量更好，并且作用深度仅为数十纳米，射流可实现对CFRP表面的高效低损伤改性。经射流扫描处理10次后，环氧树脂表面的接触角显著降低，铺展速率明显提高。

2.4 化学特性

表面形貌测试结果表明，在射流作用下，CFRP表面出现因刻蚀所致的纳米级粗糙结构。与未混氧射流相比，氧气体积分数为0.75%的射流所得表面润湿性更好，且表面较为平整。表面润湿性由表面微观结构和化学成分共同决定，为进一步研究混氧射流对表面润湿性的作用机理，采用XPS测试了处理前后表面的化学成分，经拟合后的C 1s高分辨率峰如图7所示。C 1s高分辨率峰主要涉及以下几种含碳基团：C—C/C—H（284.6 eV）、C—O（(286.2± 0.1) eV）、C==O（(287.7±0.1) eV）及O—C==O（(288.9±0.15) eV）[15,20]。经过射流处理后，表面非极性C—C/C—H基团对应峰强明显减弱，C==O、O—C==O等极性含氧基团对应峰强明显增强，如图 7a、b所示。与纯氦射流相比，氧气体积分数为0.75%射流所得表面含氧基团峰强更强、含量更高，非极性C—C/C—H基团峰强更弱、含量更少（图7、表3）。一方面，由于水是极性分子，含氧基团（如C==O、O—C==O）为极性基团，提高含氧基团含量对水将会有更强的亲和力，故表面更易被润湿。另一方面，如从表面能的角度进行分析，未处理CFRP表面含有大量C—C、C—H等非极性基团，表面能较低，润湿性较差；而含氧极性基团增多、非极性基团的减少可提高材料表面能，从而改善表面润湿性[28-29]。氧气体积分数为0.75%射流中活性粒子浓度相对纯氦射流更高，化学刻蚀作用更强，能打断更多的非极性C—C/C—H基团，生成更多含氧极性基团，具有更高的表面能，使CFRP材料在结构较平整的同时，具有更好的润湿性。

a—c 处理前后CFRP表面高分辨率C 1s峰拟合结果；d 高分辨率Si 2p峰拟合结果

表3 未经处理和已处理的CFRP表面的C 1s峰的相对浓度

Tab.3 Relative concentrations of the peaks for C 1s of untreated and treated CFRP surfaces %

此外，由于CFRP在生产中难免会引入有机硅脱模剂（硅氧烷），会降低其润湿性，不利于胶粘剂和CFRP基材的粘接[30-31]。如图7d所示，对于未处理的样品，Si 2p峰被分解为两个部分，分别位于101.5 eV和103.5 eV。经过混氧等离子体处理后，Si 2p峰从101.5 eV移至103.5 eV，在103.5 eV处的峰与具有高表面能的SiO2部分有关[32-33]。这是由于混氧等离子体射流与表面发生氧化反应，导致表面的硅氧烷大部分转化为SiO2，引起101.5 eV处特征峰的消失，将有机硅脱模剂转变为极薄的SiO2层[10,16]，其具有较好的润湿性，有利于促进表面液滴的铺展[34]。

总之，氧气的混入会使样品表面发生更多的氧化反应[3,35]，所得表面含氧基团更多，例如C==O极性键和O—C==O，它们可能会与环氧树脂胶粘剂中的环氧基相互作用，并对粘合强度起到重要作用。此外，混氧射流通过改变表面化学成分，可有效促进环氧树脂胶粘剂在表面的铺展。因此，混氧射流可以进一步提高基材表面的润湿性，有利于胶粘剂与被粘物的化学键合。

2.5 粘接强度

上述试验结果表明，与未混氧的纯氦射流相比，氧气体积分数为0.75%的射流所得CFRP表面更平整，且表面润湿性更好，对环氧树脂的粘接性更佳，有望显著提高表面的粘接强度。为验证射流对表面粘接强度的作用效果，测试了普通样品、经纯氦射流、经混氧射流处理CFRP表面与铝合金的粘接强度。同时，采用Nd:YAG激光器对CFRP表面进行了表面处理（扫描速度为500 mm/s，频率为20 kHz，功率为12 W），以对比混氧射流和激光预处理对CFRP表面粘接强度的改善效果。不同CFRP表面与铝合金间粘接强度的测试结果如图8所示。

剪切破坏过程可被分为两个阶段：一是，与试样弹性变形相关的初始弹性阶段；二是，环氧树脂与CFRP表面已经发生剥离的内聚破坏阶段。在弹性变形阶段，不同样品的载荷-位移曲线无明显差别。未处理和激光处理，样品由于对胶粘剂的亲和性变差，在弹性变形阶段即发生断裂，故粘接强度较低，如图8a所示。经等离子体处理，样品在弹性阶段未发生断裂，随着负载增加，粘接区域开始发生纤维撕裂和基材开裂，进入内聚破坏阶段，而混氧等离子体会加剧这一现象，故样品具有更高的粘接强度。由图8b可知，未处理CFRP表面的粘结强度较低，仅为约5.5 MPa；经纯氦等离子体射流处理后，表面对胶粘剂的亲和性得到改善，表面粘结强度提升至约26.9 MPa，相比未处理表面可提升约389.1%。在混氧等离子体射流作用下，表面对胶粘剂的亲和性进一步提高，粘结强度提升至约29.1 MPa，相比未处理表面可提升约429.1%。另外，与激光处理后表面相比，混氧等离子体射流处理所得表面粘结强度也可提升约59.5%。试验结果表明，氧气体积分数为0.75%的等离子体射流可实现对CFRP表面的高效、低损伤改性，所得表面较平整，且具有相对更好的粘接性能。

图8 不同CFRP表面与铝合金间粘接强度的测试结果

3 结论

1）采用混氧氦等离子体射流处理CFRP表面，改善了CFRP表面的润湿性及粘接性能。混入氧气后，等离子体射流对表面润湿性的改性效果显著提升。当氧气体积分数为0.75%时，采用混氧射流处理所得表面的接触角约为0°，所得润湿性相比以往研究结果明显更好[14,16]；环氧树脂胶粘剂在表面的铺展速率更快，表明表面对胶粘剂具有更好的亲和性。

2）与未混氧的纯氦射流相比，由于混氧射流可更有效地去除表层污染物，将硅氧烷转化为二氧化硅，因此混氧射流处理所得表面粗糙度更低。另外，混氧射流处理所得CFRP表面的含氧官能团含量相对更高，表面能更高，故其润湿性相对更好。

3）采用混氧等离子体射流处理CFRP表面可显著提高表面粘接强度。与未处理表面相比，混氧射流处理所得表面粘接强度提高约429.1%；相比纯氦射流处理所得表面，粘接强度也明显提高。混氧等离子体射流可获得粘接性能更好且相对平整的CFRP表面，有望拓展CFRP材料在航空航天、汽车等领域的应用。

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Effect of Helium/Oxygen Mixed Plasma Jet on CFRP Surface Properties and Bonding Strength

1,1,1,1,1,1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China; 2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

This work aims to investigate the characteristics of atmospheric pressure helium/oxygen mixed plasma jet with different oxygen content to analyze their effects on the surface physical and chemical properties of carbon fiber composites (CFRP) and study the mechanism of improving the surface wettability and bonding strength. The surface of CFRP was treated by helium/oxygen mixed plasma jets produced by the atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) to study the effect of different oxygen content on CFRP surface, thus determining the relatively better oxygen volume fraction. By means of contact angle measuring instrument, scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM) and X-ray photo­electron spectroscopy (XPS), the surface wettability, micro-morphology, roughness and chemical composition before and after helium/oxygen mixed plasma jets treatment were measured and analyzed. Epoxy resin adhesive was used to bond CFRP and aluminum alloy surfaces before and after helium/oxygen mixed plasma jets treatment, and the bonding strength of different surfaces was tested. With the increase of oxygen volume fraction, the jet length and temperature decreased gradually; after oxygen was mixed, the CFRP surfaces with better wettability were obtained; when the oxygen volume fraction was 0.75%, the wettability was relatively optimum. Compared with pure helium plasma jet, the spreading rate of epoxy resin on the surface treated by helium/oxygen mixed plasma was higher, which indicated that the surface has better affinity for adhesive and its roughness also reduces. XPS results showed that the surface treated by helium/oxygen mixed plasma had higher oxygen- containing functional group content and higher surface energy, thus the surface wettability was better. When the oxygen volume fraction is 0.75%, the helium/oxygen mixed plasma jet can improve the surface wettability of CFRP, the surface contact angle decreases from 15.2° to 0°; the surface is smoother and the bonding strength increases by about 429.1% compared to the untreated surface.

carbon fiber reinforced polymer; plasma jet; helium/oxygen plasma; bonding strength; surface modification

2021-03-05；

2021-05-09

LIU Xin (1981—）, Male, Doctor, Professor, Research focus: cold plasma jet and its application in cutting and surface modification.

陈发泽（1990—），男，博士，讲师，主要研究方向为特种加工技术、表面改性等。

Corresponding author：CHEN Fa-ze (1990—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: technology of non-traditional machining, surface modification.

刘新, 张忠涛, 刘吉宇, 等. 混氧等离子体射流对CFRP表面性质及粘接强度的影响[J]. 表面技术, 2022, 51(1): 247-256.

TQ342

A

1001-3660(2022)01-0247-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.026

2021-03-05；

2021-05-09

国家自然科学基金面上项目（51975092）；中央高校基本科研业务费项目（DUT18JC19）；天津市自然科学基金（19JCQNJC03900）；博士后创新人才支持计划（BX20190233）；博士后科学基金（2019M661012）

Fund：National Natural Science Foundation of China (51975092), Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT18JC19), Tianjin Natural Science Foundation (19JCQNJC03900), National Postdoctoral Program for Innovative Talents (BX20190233), China Postdoctoral Science Foundation (2019M661012)

刘新（1981—），男，博士，教授，主要研究方向为冷等离子体射流及其在切削和表面改性中的应用。

LIU Xin, ZHANG Zhong-tao, LIU Ji-yu, et al. Effect of Helium/Oxygen Mixed Plasma Jet on CFRP Surface Properties and Bonding Strength [J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 247-256.