阅读说明：本技术 一种基于常压dbd放电的碳纤维表面连续处理方法和装置 (Carbon fiber surface continuous treatment method and device based on normal-pressure DBD discharge ) 是由 罗思海 李榕凯 何卫锋 聂祥樊 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法和装置,涉及等离子体表面工程技术领域。本发明提供的装置包括：包括供气系统、等离子体发生系统和碳纤维传送系统；供气系统包括气体源和混合气腔体,等离子体发生系统包括激励电源、高压电极、接地电极、绝缘介质以及半密闭腔体,碳纤维传送系统包括驱动装置、送/放装置。碳纤维等离子体表面连续处理方法是将碳纤维通过传动系统连续输送进入到预设的气氛环境介质下DBD放电等离子体工作腔,进行等离子体处理,实现碳纤维表面粗化,同时在表面产生活性基团,从而提高复合材料内部碳纤维与树脂基体的粘结强度。(The invention discloses a carbon fiber surface continuous treatment method and device based on normal-pressure DBD discharge, and relates to the technical field of plasma surface engineering. The device provided by the invention comprises: comprises a gas supply system, a plasma generation system and a carbon fiber conveying system; the gas supply system comprises a gas source and a mixed gas cavity, the plasma generation system comprises an excitation power supply, a high-voltage electrode, a grounding electrode, an insulating medium and a semi-closed cavity, and the carbon fiber conveying system comprises a driving device and a conveying/discharging device. The continuous treatment method of the carbon fiber plasma surface is characterized in that carbon fibers are continuously conveyed to enter a DBD discharge plasma working cavity in a preset atmosphere environment medium through a transmission system to be subjected to plasma treatment, the surface roughening of the carbon fibers is realized, and active groups are generated on the surface, so that the bonding strength of the carbon fibers and a resin matrix in the composite material is improved.)

一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法和装置

技术领域

本发明属于表面工程领域，涉及一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法和装置。更具体的说，涉及适用于复合材料中增强纤维表面改性，以提高增强纤维和基体结合力，提高复合材料强度。

背景技术

复合材料由于具有比强度大、比刚度大和耐腐蚀性能好等显著优点，已经在航空航天、汽车、能源动力等众多领域内得到了广泛的应用。在航空航天领域，复合材料是四大结构材料之一，在军用和民用航空中复合材料的用量都在逐步增加，在一定程度上，复合材料用量代表了飞机的先进水平。

碳纤维作为增强纤维由于具有极好的拉伸强度、疲劳强度等，且质量较轻，在复合材料领域受到广泛关注。而碳纤维与基体间的界面是复合材料很重要的应力传递面，其性质直接关系到复合材料性能。碳纤维表面光滑，且同树脂等基体一样，表面呈现化学惰性，进而导致碳纤维与基体结合力不足，甚至出现“吻接”(Kiss bond，仅接触但没有缺陷，几何上满足要求但不能传递载荷)、弱结合(Weak bond结合强度弱，不足正常结合强度的20％)等问题，最终影响复合材料整体性能，严重威胁部件使用安全。因此，迫切需要开展碳纤维表面处理技术，提高其表面亲水性和化学活性，同时粗糙化表面，增大其与基体的接触面积，从而提高碳纤维与基体的结合力，确保复合材料安全使用。

碳纤维表面改性方法主要有物理方法和化学方法两种。化学改性是通过化学反应在纤维表面引入氨基、羧基、羟基等活性基团，进而提高纤维与基体之间的粘结强度；物理改性是利用等离子体、电子束等物理技术对纤维表面刻蚀，通过化学键的打断和重组引入羟基、羰基等活性基团，同时改变纤维表面形貌特征，进而实现粘结强度的提升。等离子体表面处理属于物理改性方法的一种。

目前，等离子体产生方式有很多种，在纤维表面处理方面使用较多的是DBD放电、辉光放电、射频感应耦合放电等。由于碳纤维为导电材料，在空气环境下进行等离子体处理易发生表面烧蚀，为获得好的表面状态，现有的等离子体处理大部分是在真空或密闭腔体中进行，设备要求较高，且很难实现大规模自动化处理。

本发明针对复合材料用增强碳纤维，提出了一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法和装置，可实现碳纤维在大气环境下进行DBD放电等离子体处理，本发明装置结构简单，可实现碳纤维大规模自动化处理，适合工业化推广。本发明的应用，可大幅度提高碳纤维与基体的粘结强度，进而提高复合材料使用寿命，具有重要的军事价值和显著的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法和装置，以解决现有技术中缺乏对碳纤维表面处理的设备效率低、只能在真空或亚真空环境下进行、不经济等问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理方法，所述方法包括：

步骤一、按照预设的气氛环境，控制各气瓶流量，打开相应的气瓶阀门，使其混合并让混合气充满整个放电腔体，确保放电介质中为预设好的气氛环境，且压力为大气压。

步骤二、在步骤一中所得的常压气氛环境下，电极接通高频直流电源，对介质两极施加电压，形成均匀稳定的等离子体，并通过探针对产生的等离子体区正中央位置的等离子体密度进行测试。

步骤三、根据放电介质长度和处理时间，设置好电机速度，使碳纤维以一定的速度连续通过步骤二中所得的等离子体区，即完成碳纤维表面的处理。

步骤一中所述的气氛环境为含功能性气体和惰性气体的混合气体，其中功能性气体可为氧气、氮气、二氧化氮、含氧气体等，惰性气体一般为氦气、氩气等。功能性气体的选择和流量控制要根据预设的气氛环境决定，即需要根据预想的纤维表面连续处理后表面活性基团决定。

步骤二中在接通电源产生等离子体前，采用混合气吹扫所述等离子体区，确保在等离子体产生时整个等离子体区充满混合气；等离子体处理时所施加的电压在10～20kV。探针用于监测和测量不同放电参数下等离子体区中央位置的等离子体密度。

步骤三中所述的碳纤维在处理前要进行表面去胶处理，处理时在等离子体区通过速度要在0～0.1m/s范围内可调。

为实现上述目的，本发明还提出了一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理装置，包括供气系统、等离子体发生系统、等离子体测试系统和碳纤维传送系统三部分组成。其中供气系统应该包括气体源和混合气腔体两部分，这其中气体源应该包括不同类型的惰性气体、含氧气体或其它气体，每种气体源包含有开关调节阀、压力计和流量计；混合气腔体应该含有多个进气口，至少四个，用于满足不同类型气体进入中混合。等离子体发生系统包括激励电源、高压电极、接地电极、绝缘介质以及半密闭腔体，其中前四个构成了介质阻挡放电(DBD)装置。碳纤维传送系统包括驱动装置、收线机、压线轮和放线机，压线轮至少需要四个，其中两个压线轮置于等离子体两端，用于固定碳纤维位置，并保证碳纤维能顺利的穿过等离子体反应室；另外两个压线轮用于控制碳纤维走向。放线机放出的碳纤维通过压线轮，穿过等离子体反应室，经压线轮后被收线机收回，其中收线机由驱动装置驱动，驱动装置工作驱动收线机工作，带动放线机放线，实现碳纤维等离子体处理全过程自动化。

进一步的，在所述的一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理装置中，所述的气体源为装有不同气体的气瓶，且每个气瓶上装有开关调节阀、压力计和气体流量计。

进一步的，在所述的半密闭腔体材料为绝缘材料，左侧腔体根据要求设计成不同外形尺寸，确保可以方便安装压线轮，且至少保证前后两侧透明可视，左侧通过进气口与混合气腔体密封连接，腔体右侧要完全包含整个DBD装置；此外，在腔体左侧开个只需要能确保把碳纤维导出即可小孔，小孔位置与碳纤维位置平齐，确保碳纤维从此小孔穿出。

进一步的，所述的压线轮无尺寸限制，但位于等离子体反应室两侧的两个压线轮，其安装位置要确保穿过等离子体区的碳纤维位于正中央零电势位置，避免碳纤维因导电表面发生烧蚀；其它压线轮无明确位置限制，但要起到使碳纤维在处理过程中时刻保持绷紧状态的作用。

进一步的，在所述的一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理装置中，所述的压线轮、收线机、放线机及其轴轮材料均为导电材料。

进一步的，在所述的一种基于常压DBD放电的碳纤维表面连续处理装置中，所述的驱动装置(6)应包含可编程自动化控制器和步进/伺服电机两部分，根据运动速率要求，对控制器进行编程，实现对步进/伺服电机精准控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过设置供气系统，从而可以使得DBD放电处于预设气氛环境，且在空气环境下进行；设置纤维传送系统，从而可实现碳纤维自动化大规模处理；此外，利用DBD放电等离子体处理装置处理碳纤维表面，通过等离子体对纤维表面进行刻蚀，在粗糙化表面的同时在表面产生活性基团，来提高增强碳纤维与基体的粘合强度，进而实现复合材料性能的提升。本发明提供的碳纤维表面连续处理装置，解决了碳纤维DBD放电等离子体处理只能在真空或亚真空环境下进行的问题。

附图说明

图1是本发明一种基于常压DBD放电的碳纤维表面等离子体连续处理装置；

图2是本发明一种基于常压DBD放电的碳纤维表面等离子体连续处理装置的DBD放电等离子体产生装置。

具体实施方式

根据附图1-2对实施过程进行详细说明。根据预设的等离子体放电气氛环境和压力，开启相应气体源，根据压力计12和流量计13调节开关调节阀11，使气体成分和含量满足预设气氛环境要求；开启的气体进入混合气腔体2中混合，通过进气口3送入到半密闭腔体17，混合气在等离子体反应室18经DBD放电发生电离，产生等离子体；碳纤维10在传/送丝系统驱动下，穿过等离子体反应室18，在DBD放电产生的等离子体中处理一定时间，使得碳纤维10表面粗糙化，同时引入大量的活性基团，提高碳纤维与基体的粘结强度，进而提高碳纤维复合材料性能。

所述的碳纤维等离子体处理过程如下：

步骤1，将碳纤维10进行除胶、清洗，烘干备用；清洗具体过程为：首先用去离子水冲洗碳纤维，然后将碳纤维置于丙酮或酒精溶液浸泡24小时，取出用去离子水冲洗后晾干。

步骤2，将碳纤维10依次穿过半密闭腔体17和等离子体反应室18，并按照顺序依次安放在压线轮8上，其中起始的纤维丝/丝束固定在驱动收线机7上，碳纤维捆安放在放线机9上，手动调节收线机使碳纤维保持绷紧状态。

步骤3，调节半密闭腔体17两侧的压线轮8位置，使其保持在同一水平位置，同时使上面安放的碳纤维10位于等离子体反应室18正中央。

步骤4，按照预设的放电气氛环境，打开相应的气体源1开关调节阀11，根据压力计12和流量计13监测，调节开关调节阀11释放气体大小，获得符合预设气氛环境要求的混合气。

所述的混合气中含有功能性气体和惰性气体，其中功能性气体的选择根据需要选择，若希望在纤维表面产生C＝O、O-C＝O、C-N等活性基团，则开启相应气体源开关调节阀11引入相应的元素，其含量的控制一方面要考虑纤维表面期待形成的活性基团的要求，另一方面还要考虑DBD放电气氛环境的需要。当不需要引入新元素，则直接选择惰性气体。为避免丝状放电或其它可能损伤碳纤维10的带状放电，混合气中功能性气体含量不宜过高。

步骤5，接通直流电源4，使得电极之间的气氛环境发生击穿，进而等离子体反应室18中的混合气发生电离产生等离子体。所述的放电开始阶段，通过等离子体测试系统5监测等离子体相关参数，进而调节电源4的输入电压和频率，以求获得预设的等离子体处理参数。

步骤6，开启驱动装置6，驱动收线机7工作，带动放线机9防线，由压线轮8控制碳纤维传送方向，最终实现碳纤维10以一定的速度穿过等离子体反应室18。

所述的碳纤维速度通过调节驱动装置6实现，其速度值根据电极15的长度和预设的碳纤维处理时间决定，确保能满足碳纤维处理时间，处理时间从几十秒到十几分钟不等。在放电过程中，等离子体测试系统5还需实时监测等离子体相关参数，确保处理碳纤维的等离子体环境保持一致，若出现波动，及时调节电源4输入参数。

综上，等离子体作用于穿过等离子体反应室内的碳纤维，一方面使纤维表面发生刻蚀，粗糙化纤维表面，另一方面，放电产生的等离子体中大量的带电粒子辐照纤维表面，对纤维表面化学键进行重组，形成新的化合物，引入大量的活性基团，提高碳纤维表面能，两方面共同作用提高碳纤维与基体之间的粘结力。此发明提供的一种基于常压DBD放电的碳纤维表面处理的装置简单，且克服了碳纤维DBD表面处理在真空或低气压环境下进行的缺点，解决了行业中缺乏常压DBD放电的碳纤维表面处理装置的问题。