等离子体表面处理对材料表面粗糙度的影响

等离子体是指在放电或高能辐射的条件下，目标气体中的自由电子获得极大动能，高速电子与气体分子碰撞，使之激发或离解形成各种激发态的分子、原子、自由基和电子混杂的呈电中性的电离状态。等离子体表面处理正是一种基于等离子体中产生的粒子与处理材料表面的相互作用，对目标材料表面进行活化、蚀刻甚至化学修饰和功能化的改性工艺。以碳纤维为例来说明等离子体处理对材料表面粗糙度的影响
等离子体处理通常分为高温处理和低温处理两种。目前适合碳纤维改性的冷等离子体处理可显著地改善材料表面形貌和物化特性，而不显著影响材料整体的力学性能，同时还可以实现纤维/基质的界面性能和复合材料强度的提升。这是因为等离子体处理的轰击会优先除去碳纤维表面结合更弱的非晶碳，表现为碳纤维更大的表面粗糙度，但由于等离子体的作用深度一般在几纳米到几百纳米，故不会显著改变碳纤维的结构，其性能也不会有明显下降。此外，等离子体在碳纤维表面喷溅，使得表面化学基团重新组合，并引入了某些含氧或含氨的极性官能团，改善了碳纤维的表面极性和粘附潜力，增强了物理结合以及纤维与聚合物基体的润湿性，以进一步提高界面粘附强度，但这一过程受到诸多因素的共同影响。
低温等离子体与碳纤维表面的处理过程示意如下图1所示。低温等离子处理碳纤维表面时，高能粒子直接撞击纤维表面，根据材料表面的物理相态和化学结构的差异，有选择性地解离材料表面的原子/分子键。受到高能粒子的作用，材料表面原子/分子中的电子被激活，并与等离子体中的电子相互作用，形成活性位点与表面物理形貌的改变。
图一 等离子体纤维表面改性作用原理示意图在等离子体的作用下，对碳纤维进行不同时间的改性处理，发现等离子体中高能粒子的轰击造成了碳纤维的粗糙表面，其粗糙程度随着处理时间的增加而加深如（图2）所示。
图二 不同等离子体处理时间碳纤维的AFM图像材料经过低温等离子体处理后，会在材料表面发生刻蚀作用，从而引起材料表面微观结构发生变化，即材料表面粗糙度增加，粗糙度增加会增大材料的比表面积，从而使材料表面对水的输送能力增强，可增加材料表面的亲水性。当材料需要粘接或涂覆涂层时，粗糙度的增加可增加材料与涂层的接触面积，增加机械结合强度。24568