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常压等离子体对碳纤维的表面改性及其放电过程的数值模拟

作　者: 周振兴
导　师: 徐金洲
学　校: 东华大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 等离子体大气压介质阻挡放电碳纤维表面改性数值模拟
分类号: TQ342.742
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 45次
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内容摘要

常压等离子体近几十年来发展迅速。由于它不需要真空,可以连续处理,节能环保等优点,引起了人们的广泛关注。特别是在材料表面改性方面,大气压等离子体处理不仅可以使材料表面变粗糙,并且可以引入羟基(-OH),羰基(-C=O)等亲水基团,从而提高材料的表面能,改善材料表面的润湿性和粘结性。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐疲劳等优异性能,碳纤维及其增强复合材料已经被广泛地应用于航空航天、武器制造、汽车部件等众多领域。没有经过表面处理的碳纤维由于本身表面活性低而制约了它在复合材料上的应用。本论文研究了常等离子体表面处理碳纤维的特性,并模拟了其放电物理。本文首先利用实验室自行研发设计的同轴管状大气压等离子体纤维处理装置(PLA-PLA)进行放电实验,通过对等离子体的电学参数分析和发射光谱诊断,研究在不同电源功率和气体组分条件下等离子体的状态,结果表明,放电主要是由一些极细的放电丝组成,随着电源频率的增大,放电细丝开始逐渐集中。根据发射光谱数据分析,其中存在着大量的活性粒子和自由基,如Ar、OH和O,这些活性粒子和自由基的强度随着放电功率的增加而增强。而氧气的加入会使发射光谱的强度降低。然后用此大气压等离子体装置处理了PAN基碳纤维,并对处理参数如氩/氧气体比例、功率和处理时间进行了研究。通过扫描电子显微镜研究了碳纤维微观的形貌的变化。通过红外吸收光光谱和X光电子能谱对碳纤维的表面化学组成进行了研究。通过接触角测试与力学性能测试研究了碳纤维表面亲水性变化与机械性能的变化。结果表明,随着等离子体放电功率的加大和处理时间的加长,碳纤维表面会接入大量的含氧极性官能团,而其表面被刻蚀出的微小凹坑也会增多。氩/氧混合气体能更好的使碳纤维表面接入极性官能团。但是处理时间过长,会由于刻蚀作用而导致碳纤维的断裂强度的减小,所以一定要控制处理的时间,以免对碳纤维有太大的损伤。最后,本文建立了一维放电模型,对氩等离子体的放电进行模拟,结果表面而电子密度随着频率的升高而升高,此结果与实验的结果研究对比表明,等离子体对碳纤维的刻蚀作用主要是高能电子冲击所引起的。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-25
  1.1 引言  11-12
  1.2 等离子体概述  12-17
    1.2.1 常压低温等离子体简介  13-15
    1.2.2 低温等离子体碳纤维表面改性研究进展  15-17
  1.3 碳纤维及其应用  17-22
    1.3.1 碳纤维的结构与性能  18-19
    1.3.2 碳纤维表面处理概述  19-21
    1.3.3 等离子体表面处理碳纤维  21-22
  1.4 等离子体放电过程的数值模拟现状  22-23
  1.5 论文的研究内容及意义  23-25
    1.5.1 本论文研究的内容及目的  23
    1.5.2 本论文研究的创新点  23-25
第二章常压DBD等离子体放电特性研究  25-37
  2.1 实验的条件  25-26
    2.1.1 等离子体反应装置  25-26
    2.1.2 使用的气体  26
  2.2 等离子体电流-电压特性  26-32
    2.2.1 DBD等离子体电学特征  26-28
    2.2.2 放电功率对放电电流-电压曲线的影响  28-29
    2.2.3 气体组分对放电电流-电压曲线的影响  29-32
  2.3 常压DBD发射光谱实验结果与分析  32-36
    2.3.1 氩等离子体发射光谱分析  32-34
    2.3.2 氩/氧等离子发射光谱分析  34
    2.3.3 常压DBD等离子体电子密度  34-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章常压DBD等离子体对碳纤维表面改性  37-55
  3.1 实验材料  37-38
  3.2 常压低温等离子体处理  38
    3.2.1 碳纤维的预处理  38
    3.2.2 常压低温等离子体处理  38
  3.3 微观形貌的分析  38-41
    3.3.1 处理时间对微观形貌的影响  39-40
    3.3.2 放电功率对微观形貌的影响  40
    3.3.3 气体组分对微观形貌的影响  40-41
  3.4 水接触角的分析  41-44
    3.4.1 放电气体的不同组分及处理时间对碳纤维接触角的影响  41-42
    3.4.2 接触角时效性的研究  42-44
  3.5 傅里叶转化红外光谱(FTIR)分析  44-46
    3.5.1 处理时间对其影响  44-45
    3.5.2 气体组分对其影响  45-46
  3.6 力学性能分析  46-49
    3.6.2 等离子体处理的时间及气体组分对力学性能的影响  46-47
    3.6.3 等离子体处理的放电功率及时间对力学性能的影响  47-49
  3.7 X光电子能谱(XPS)分析  49-52
    3.7.1 最佳处理效果下的XPS对比测试  49-51
    3.7.2 表面的组成与成分的分析  51-52
  3.8 等离子体表面处理碳纤维的机理分析  52-53
  3.9 本章小结  53-55
第四章常压DBD等离子体放电过程的数值模拟  55-62
  4.1 数值模型的建立与参数的设定  55-57
  4.2 一维数值模拟结果与分析  57-61
  4.3 本章小结  61-62
第五章结论  62-63
参考文献  63-67
硕士期间发表的论文  67-68
致谢  68

常压等离子体对碳纤维的表面改性及其放电过程的数值模拟

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