关键词：热塑性复合材料；等离子处理，表面高效处理
在航空航天、新能源汽车等领域，轻量化、高强度的材料一直是研发热点。碳纤维增强热塑性复合材料（如CFF/PPS）因具备高比强度、耐高温、可快速成型等优势，被视为下一代“明星材料”。然而，这类材料的核心挑战在于纤维与树脂基体的界面结合强度不足，直接影响整体性能。
近期，东华大学研究团队在《Polymer Composites》发表重磅成果，创新提出“红外加热辅助等离子体处理技术”，成功将CFF/PPS复合材料的界面剪切强度提升30.5%，弯曲强度飙升81.9%，为热塑性复合材料的工业化应用扫清关键障碍。
为何界面强度是“卡脖子”难题？
碳纤维在生产过程中会涂覆环氧树脂类浆料以保护纤维，但这些浆料在高温成型时易分解，残留在纤维表面形成孔隙，削弱纤维与树脂的结合力。传统去浆方法如丙酮浸泡、高温烘烤等，要么效率低、污染大，要么损伤纤维强度，难以满足量产需求。
更棘手的是，去浆后的碳纤维表面化学惰性高，树脂难以有效浸润，导致界面结合力不足。过去虽有等离子体处理等技术，但真空环境设备昂贵，难以连续处理大面积材料。
红外加热+等离子体：1+1>2的协同效应
研究团队另辟蹊径，将红外加热与大气压等离子体处理结合，实现高效去浆与表面活化“一步到位”：
- 红外加热去浆：利用中波段红外光精准加热浆料，快速分解环氧树脂（60秒内完成），同时减少对纤维的热损伤。实验显示，425℃加热60秒即可去除99%以上浆料，纤维单丝强度保持率超95%。
- 等离子体活化：通过旋转喷嘴均匀喷射等离子体流，在纤维表面刻蚀微米级凹凸结构，并引入含氧官能团。这种“物理锚定+化学键合”双重作用，使树脂与纤维结合更紧密，界面剪切强度（IFSS）从64.9 MPa跃升至84.82 MPa。
图1 (A)热电偶测量红外加热去浆CFF温座均匀性;(B) STD和不同工艺参数下红外加热去浆率;(C)不同红外加热工艺参数CF单丝强度[1]
图2 (A)未处理CF SEM;(B)(C)分别为4009C160:，4009C/1205红外加热去浆工艺下的SEM;(D)为4259C160s红外去浆工艺下单根和多根CF的SEM[1]
性能全面突破！弯曲强度提升81.9%
经优化工艺处理的CFF/PPS复合材料展现出惊人性能：
- 界面剪切强度（IFSS）：84.82 MPa（较传统去浆提升30.5%）
- 弯曲强度：1153 MPa（提升81.9%）
- 层间剪切强度（ILSS）：82.54 MPa（提升77.6%）
图3 (A)不同等离子体处理工艺对接触角的影响:(B)不同等离子体处理工艺对CF单丝强度的影响[1]
图4 等离子体处理前后CF的XPS (A) DCF、ACFSS0-6、ACF550-4、ACF550-2的XPS扫描全谱图;(B-E)DCFACF550-6、ACF550-4、ACF550-2的XPS 扫描 C15 拟合國谐,(D DCF、ACFSS0-6、ACF550-4、ACF550-2的O/C比值和活性官能团比率[1]
关键突破点：
- 去浆更彻底：红外加热直接作用于浆料分子，避免高温气流扰动纤维排列。
- 表面更“活跃”：等离子体处理使纤维表面氧含量增加40%，含氧官能团比例提升至28.6%，显著增强树脂浸润性。
- 工业友好：大气压等离子体设备支持连续化生产，处理速度可达4 mm/s，适合大面积织物加工。
从实验室到工厂：颠覆传统制造流程
这项技术为热塑性复合材料的量产带来两大革新：
- 效率提升：传统高温烘烤需数小时，红外加热仅需1-3分钟，能耗降低50%以上。
- 成本下降：无需真空环境，设备投资减少30%，且避免化学溶剂污染，更环保。
目前，团队已与商飞等企业合作，推动该技术在航空复材部件制造中的应用。未来，大型飞机机翼、新能源汽车电池壳体等对轻量化要求极高的部件，有望率先受益。
挑战与展望
尽管成果显著，规模化应用仍需攻克两大难题：
- 均匀性控制：超宽幅碳纤维织物（如2米以上）的温场均匀性、等离子体穿透深度需进一步优化。
- 长期可靠性：湿热老化、疲劳性能等耐久性数据尚待验证。
研究团队表示，下一步将开发智能温控系统，并探索该技术在其他热塑性复合材料（如CF/PEEK、CF/PA6）中的普适性。
结语
红外加热与等离子体的“黄金组合”，不仅为热塑性复合材料性能突破打开新思路，更让低成本、连续化生产成为可能。这项“中国方案”有望引领全球复材产业升级，助力中国制造向高端化迈进！
- Li Y, Ruan X, Yang Y, et al. Mechanism of CFF/PPS interface strength enhancement via infrared heating desizing-assisted plasma treatment.[J] Polym Compos. 2025; 1-14.
