常壓氧氣DBD等離子體：解鎖PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能優(yōu)化新路徑一、引言1.1研究背景1.1.1PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的特性與應(yīng)用聚對(duì)苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維作為一種高性能有機(jī)纖維，自20世紀(jì)80年代由美國(guó)為發(fā)展航天航空事業(yè)而開發(fā)以來(lái)，憑借其卓越的性能在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，被譽(yù)為“21世紀(jì)超級(jí)纖維”。PBO纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其具有一系列優(yōu)異特性。其分子鏈由剛性的苯環(huán)和雜環(huán)組成，高度取向的分子排列賦予了PBO纖維超高的強(qiáng)度和模量。研究數(shù)據(jù)表明，PBO纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)5.8GPa，拉伸模量高達(dá)270GPa，這一性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的對(duì)位芳綸纖維，是目前有機(jī)纖維中力學(xué)性能最為突出的品種之一。同時(shí)，PBO纖維具有出色的耐熱性，在空氣中熱解溫度達(dá)到650℃，極限氧指數(shù)為68%，在火焰中不燃燒、不收縮，能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。此外，它還具備良好的尺寸穩(wěn)定性、耐摩擦性和耐化學(xué)腐蝕性?；谶@些優(yōu)異性能，PBO纖維在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使其成為制造飛行器結(jié)構(gòu)部件、機(jī)翼、機(jī)身等的理想材料，能夠有效減輕飛行器重量，提高燃油效率和飛行性能，增強(qiáng)其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和安全性。例如，在衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)框架中使用PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可大幅減輕衛(wèi)星重量，增加有效載荷，同時(shí)提高衛(wèi)星在太空輻射和高低溫交變環(huán)境下的穩(wěn)定性。在軍事領(lǐng)域，PBO纖維被用于制造防彈衣、防彈頭盔、裝甲防護(hù)材料等。由于其高強(qiáng)度和高模量，能夠有效抵御子彈和彈片的沖擊，為士兵提供可靠的防護(hù)。與傳統(tǒng)的防彈材料相比，PBO纖維制成的防護(hù)裝備更輕便，不會(huì)過(guò)多影響士兵的行動(dòng)靈活性，在保障安全的同時(shí)提升了作戰(zhàn)效能。在高端體育器材領(lǐng)域，如網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、賽艇等，PBO纖維的應(yīng)用顯著提升了器材的性能。以網(wǎng)球拍為例，使用PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的球拍，不僅具有更高的強(qiáng)度和剛性，能夠提供更大的擊球力量和更好的控球性能，而且重量更輕，使運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)時(shí)間比賽中能夠更輕松地?fù)]拍，減少疲勞感。PBO/BMI復(fù)合材料是將PBO纖維與雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）樹脂復(fù)合而成的高性能材料。BMI樹脂具有優(yōu)異的耐高溫、耐化學(xué)腐蝕和良好的機(jī)械性能，與PBO纖維結(jié)合后，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。PBO纖維作為增強(qiáng)相，為復(fù)合材料提供高強(qiáng)度和高模量，而BMI樹脂作為基體相，起到粘結(jié)和傳遞載荷的作用，使復(fù)合材料具有良好的整體性和穩(wěn)定性。這種復(fù)合材料在航空航天、電子、汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件制造中，PBO/BMI復(fù)合材料能夠承受高溫和高壓的惡劣環(huán)境，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和可靠性。在電子領(lǐng)域，用于制造印刷電路板、電子封裝材料等，其良好的絕緣性能和尺寸穩(wěn)定性能夠滿足電子產(chǎn)品對(duì)高性能材料的需求。在汽車制造中，可用于制造汽車的輕量化結(jié)構(gòu)部件，如車身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等，在降低汽車重量的同時(shí)提高其安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。然而，PBO纖維表面光滑，化學(xué)惰性強(qiáng)，與BMI樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能較差。這導(dǎo)致在復(fù)合材料受力時(shí)，纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞效率低下，容易出現(xiàn)界面脫粘等問(wèn)題，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的整體性能，限制了其在一些對(duì)性能要求苛刻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，當(dāng)飛行器承受復(fù)雜載荷時(shí)，界面粘結(jié)性能不足可能導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的過(guò)早破壞，危及飛行安全。因此，改善PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面性能成為提高PBO/BMI復(fù)合材料性能的關(guān)鍵所在。1.1.2傳統(tǒng)表面處理方法的局限性為了提高PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面粘附強(qiáng)度，科研人員嘗試了多種傳統(tǒng)的表面處理方法，如化學(xué)改性、常規(guī)等離子體處理等，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多局限性?；瘜W(xué)改性方法通常是利用化學(xué)試劑與PBO纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引入極性基團(tuán)，以提高纖維表面的活性和潤(rùn)濕性，從而增強(qiáng)與樹脂基體的粘結(jié)力。常用的化學(xué)改性方法包括酸處理、堿處理、偶聯(lián)劑處理等。雖然這些方法在一定程度上能夠改善界面性能，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題。例如，酸處理和堿處理過(guò)程中，化學(xué)試劑的強(qiáng)腐蝕性可能會(huì)對(duì)PBO纖維的本體結(jié)構(gòu)造成損傷，降低纖維的強(qiáng)度和模量。有研究表明，經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸處理后的PBO纖維，其拉伸強(qiáng)度可能會(huì)下降10%-20%。此外，化學(xué)改性過(guò)程中使用的大量化學(xué)試劑會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣等污染物，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，且化學(xué)改性工藝復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。常規(guī)等離子體處理是在低壓環(huán)境下進(jìn)行的，通過(guò)等離子體中的高能粒子轟擊PBO纖維表面，使其表面產(chǎn)生物理和化學(xué)變化，達(dá)到改善界面性能的目的。這種方法雖然能夠在不顯著影響纖維本體性能的前提下對(duì)表面進(jìn)行改性，但也存在明顯的局限性。一方面，低壓等離子體處理需要配備復(fù)雜且昂貴的真空系統(tǒng)，設(shè)備投資大，運(yùn)行成本高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。另一方面，該處理過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高效生產(chǎn)的需求。此外，低壓等離子體處理的均勻性難以保證，容易導(dǎo)致纖維表面處理效果不一致，影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。綜上所述，傳統(tǒng)的表面處理方法在提高PBO纖維與BMI樹脂基體界面性能方面存在一定的局限性，迫切需要一種高效、環(huán)保、低成本且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的新型表面處理方法，以滿足PBO/BMI復(fù)合材料在各領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。常壓氧氣DBD等離子體處理技術(shù)作為一種新型的表面改性方法，具有無(wú)需真空系統(tǒng)、成本低、可連續(xù)處理等優(yōu)點(diǎn)，為改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的界面性能提供了新的思路和途徑，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探索常壓氧氣DBD等離子體處理對(duì)PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響，通過(guò)系統(tǒng)研究，精準(zhǔn)揭示常壓氧氣DBD等離子體處理對(duì)PBO纖維表面微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的具體改變機(jī)制，以及這些改變?nèi)绾螌?duì)PBO/BMI復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能和整體力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜儀（XPS）等，對(duì)處理前后的PBO纖維表面形貌和化學(xué)元素進(jìn)行細(xì)致分析，從而精確掌握表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的變化情況。同時(shí)，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，如拉伸試驗(yàn)、層間剪切強(qiáng)度測(cè)試等，全面評(píng)估PBO/BMI復(fù)合材料的力學(xué)性能，進(jìn)而深入研究界面性能與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。從學(xué)術(shù)理論層面來(lái)看，本研究具有重要的理論意義。常壓氧氣DBD等離子體處理作為一種新型的表面改性技術(shù)，在PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料領(lǐng)域的研究尚處于探索階段，相關(guān)的理論和機(jī)制尚未完全明晰。本研究通過(guò)深入探究其作用機(jī)制，有望為該領(lǐng)域提供新的理論依據(jù)，豐富和完善材料表面改性的理論體系。通過(guò)對(duì)PBO纖維表面改性機(jī)制的研究，能夠深化對(duì)材料表面與界面相互作用的理解，為其他高性能纖維的表面改性研究提供有益的參考和借鑒，推動(dòng)材料科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，本研究成果具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料在航空航天、軍事、高端體育器材等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但由于PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能不佳，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍和性能提升。本研究致力于尋找一種高效、環(huán)保、低成本且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的新型表面處理方法，以改善PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面性能。若能成功實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將顯著提升PBO/BMI復(fù)合材料的性能，拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在航空航天領(lǐng)域，性能提升后的PBO/BMI復(fù)合材料可用于制造更先進(jìn)的飛行器結(jié)構(gòu)部件，提高飛行器的性能和安全性；在軍事領(lǐng)域，可用于制造更輕、更強(qiáng)的防護(hù)裝備，提升士兵的作戰(zhàn)能力；在高端體育器材領(lǐng)域，能制造出性能更卓越的器材，滿足運(yùn)動(dòng)員對(duì)高性能裝備的需求。本研究對(duì)常壓氧氣DBD等離子體處理在PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料中的應(yīng)用研究，無(wú)論是在學(xué)術(shù)理論的完善，還是在實(shí)際應(yīng)用的推動(dòng)方面，都具有不可忽視的重要性，有望為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)新的突破和機(jī)遇。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的研究進(jìn)展PBO纖維自20世紀(jì)80年代由美國(guó)開發(fā)以來(lái)，一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)外方面，日本東洋紡公司在PBO纖維的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用研究方面處于領(lǐng)先地位。他們于1998年正式投產(chǎn)PBO纖維，商標(biāo)為Zylon，并不斷對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化和拓展應(yīng)用領(lǐng)域。在性能研究上，眾多國(guó)外學(xué)者對(duì)PBO纖維的力學(xué)性能、熱性能、耐化學(xué)性能等進(jìn)行了深入探究。研究發(fā)現(xiàn)，PBO纖維的拉伸強(qiáng)度高達(dá)5.8GPa，拉伸模量為270GPa，在高溫下仍能保持良好的力學(xué)性能，熱解溫度達(dá)到650℃，這些優(yōu)異性能使其在航空航天、軍事等高端領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在應(yīng)用方面，PBO纖維在航空航天領(lǐng)域被廣泛用于制造飛行器的結(jié)構(gòu)部件，如機(jī)翼、機(jī)身等，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器的性能和燃油效率；在軍事領(lǐng)域，用于制造防彈衣、防彈頭盔等防護(hù)裝備，其高強(qiáng)度和輕量化特點(diǎn)顯著提升了防護(hù)性能和士兵的行動(dòng)靈活性。國(guó)內(nèi)對(duì)PBO纖維的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代開始有相關(guān)報(bào)道，由于合成PBO的關(guān)鍵原料4,6-二氨基間苯二酚（DAR）國(guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)，且進(jìn)口試劑價(jià)格昂貴，一定程度上限制了研究進(jìn)展。隨著大連化工研究所于2006年開發(fā)成功DAR鹽酸鹽的合成新工藝，為國(guó)內(nèi)PBO纖維的研究提供了可靠的原料保障，國(guó)內(nèi)高校和科研院所如華東理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海交通大學(xué)等紛紛開展相關(guān)研究。研究?jī)?nèi)容涵蓋PBO的合成工藝優(yōu)化、纖維的制備與性能改進(jìn)、復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用等多個(gè)方面。通過(guò)不斷的研究，國(guó)內(nèi)在PBO纖維的性能提升和應(yīng)用拓展方面取得了顯著成果，部分研究成果已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。對(duì)于PBO/BMI復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注其界面性能、力學(xué)性能以及在不同環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。界面性能方面，由于PBO纖維表面光滑、化學(xué)惰性強(qiáng)，與BMI樹脂基體的界面粘結(jié)性能較差，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的整體性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試了多種方法來(lái)改善界面性能，如表面化學(xué)處理、等離子體處理、偶聯(lián)劑處理等。研究表明，通過(guò)合適的表面處理方法，可以在PBO纖維表面引入極性基團(tuán)，增加表面粗糙度，從而提高纖維與基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。在力學(xué)性能研究方面，學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了PBO/BMI復(fù)合材料在拉伸、壓縮、彎曲、剪切等不同載荷作用下的力學(xué)行為，分析了纖維含量、纖維取向、基體性能等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，合理調(diào)整纖維含量和取向，可以顯著提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量；優(yōu)化基體性能，可以提高復(fù)合材料的韌性和抗沖擊性能。在不同環(huán)境下的性能穩(wěn)定性研究中，重點(diǎn)關(guān)注了復(fù)合材料在高溫、潮濕、紫外線等環(huán)境因素作用下的性能變化。研究表明，高溫和潮濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，紫外線照射會(huì)引起纖維和基體的老化，降低復(fù)合材料的性能。通過(guò)添加抗氧化劑、紫外線吸收劑等助劑，以及采用合適的防護(hù)涂層，可以有效提高復(fù)合材料在惡劣環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。1.3.2DBD等離子體在材料表面處理中的應(yīng)用介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體作為一種新型的表面處理技術(shù)，近年來(lái)在材料表面處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。在聚合物材料表面處理方面，DBD等離子體可以有效地改善聚合物材料的表面性能。以常見的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等聚烯烴類聚合物為例，這些材料由于表面能較低，表面極性基團(tuán)少，導(dǎo)致其印刷、涂裝、粘結(jié)等性能較差。通過(guò)DBD等離子體處理，等離子體中的高能粒子與聚合物表面分子發(fā)生碰撞，使表面分子鏈斷裂、交聯(lián)，引入極性基團(tuán)，如羥基、羧基等，從而提高材料表面的極性和表面能，增強(qiáng)其與涂料、膠粘劑等的粘結(jié)力。有研究表明，經(jīng)過(guò)DBD等離子體處理后的PP材料，其表面接觸角顯著降低，由處理前的約90°降至處理后的40°-50°，表面能大幅提高，涂層附著力從1級(jí)提升至5級(jí)，極大地改善了其表面性能，拓寬了應(yīng)用范圍。在金屬材料表面處理中，DBD等離子體也發(fā)揮著重要作用。對(duì)于金屬材料，表面的氧化膜、油污等雜質(zhì)會(huì)影響其后續(xù)的加工和使用性能。DBD等離子體可以利用其高能粒子的轟擊作用，去除金屬表面的氧化膜和油污等污染物，實(shí)現(xiàn)表面清潔。同時(shí)，等離子體處理還可以在金屬表面引入微觀粗糙結(jié)構(gòu)，增加表面積，提高表面活性，有利于后續(xù)的電鍍、化學(xué)鍍等工藝的進(jìn)行，提高鍍層與金屬基體之間的結(jié)合力。在電子器件制造中，對(duì)金屬電極表面進(jìn)行DBD等離子體處理后，電極與電子元件之間的連接可靠性顯著提高，電子器件的性能和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。在生物材料領(lǐng)域，DBD等離子體處理可以對(duì)生物材料的表面進(jìn)行修飾，以滿足生物相容性和細(xì)胞粘附等特定需求。對(duì)于醫(yī)用高分子材料，如聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等，通過(guò)DBD等離子體處理，可以在材料表面引入生物活性分子，如氨基酸、蛋白質(zhì)等，提高材料的生物相容性，促進(jìn)細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了有力支持。研究表明，經(jīng)過(guò)DBD等離子體處理后的PLA材料，細(xì)胞在其表面的粘附率和增殖活性明顯提高，為其在醫(yī)用植入物、組織工程支架等方面的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。DBD等離子體在不同材料表面處理中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，能夠有效改善材料的表面性能，提高材料的使用性能和應(yīng)用價(jià)值，為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段和方法。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料2.1.1PBO纖維的結(jié)構(gòu)與性能PBO纖維的化學(xué)名稱為聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含剛性的苯環(huán)和噁唑環(huán)，通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成高度共軛的大分子鏈。從分子排列方式來(lái)看，PBO纖維在液晶紡絲過(guò)程中，大分子鏈沿纖維軸向高度取向排列，形成了高度有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子排列方式是其優(yōu)異性能的根源。在高強(qiáng)度方面，PBO纖維的拉伸強(qiáng)度高達(dá)5.8GPa，這是由于其分子鏈中的共價(jià)鍵具有較高的鍵能，且分子鏈高度取向，使得在受力時(shí)能夠有效傳遞應(yīng)力，不易發(fā)生分子鏈的滑移和斷裂。例如，當(dāng)PBO纖維受到拉伸力時(shí)，分子鏈沿軸向方向承受拉力，剛性的苯環(huán)和噁唑環(huán)結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的抵抗變形能力，從而使纖維表現(xiàn)出極高的拉伸強(qiáng)度。在高模量方面，PBO纖維的拉伸模量可達(dá)270GPa，這得益于其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的高度有序性和分子鏈的剛性。結(jié)晶區(qū)域中的分子鏈緊密排列，分子間作用力強(qiáng)，使得纖維在受力時(shí)不易發(fā)生形變，表現(xiàn)出高模量的特性。以航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用為例，在制造飛行器機(jī)翼等結(jié)構(gòu)部件時(shí)，PBO纖維高模量的特性能夠有效保證機(jī)翼在承受空氣動(dòng)力等復(fù)雜載荷時(shí)，保持穩(wěn)定的形狀和結(jié)構(gòu)，減少形變，提高飛行器的飛行性能和安全性。PBO纖維還具有出色的耐熱性能，其熱分解溫度高達(dá)650℃。這是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中的共軛體系和剛性環(huán)結(jié)構(gòu)具有較高的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫下保持分子結(jié)構(gòu)的完整性，不易發(fā)生分解和降解反應(yīng)。在高溫環(huán)境下，PBO纖維的分子鏈間通過(guò)強(qiáng)的相互作用力維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得纖維能夠保持其物理性能，不會(huì)因高溫而軟化或熔化。這種優(yōu)異的耐熱性能使其在高溫工業(yè)環(huán)境、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，能夠承受極端高溫條件，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，PBO纖維的耐化學(xué)腐蝕性也源于其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。其分子中的化學(xué)鍵對(duì)常見的酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有較強(qiáng)的抵抗力，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而能夠在惡劣的化學(xué)環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。在化工領(lǐng)域，用于制造耐腐蝕管道、容器等設(shè)備時(shí)，PBO纖維能夠長(zhǎng)期抵御化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。2.1.2PBO/BMI復(fù)合材料的制備與性能PBO/BMI復(fù)合材料的制備工藝通常采用預(yù)浸料成型法。首先，將PBO纖維通過(guò)浸膠工藝浸漬在BMI樹脂溶液中，使纖維表面均勻地覆蓋一層BMI樹脂，形成預(yù)浸料。在浸膠過(guò)程中，通過(guò)控制浸膠時(shí)間、溫度和樹脂溶液濃度等參數(shù)，確保樹脂能夠充分浸潤(rùn)纖維，并且在纖維表面形成合適厚度的樹脂涂層。然后，將預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋪層，通過(guò)熱壓成型工藝，在一定的溫度和壓力下使樹脂固化，將PBO纖維牢固地粘結(jié)在一起，形成PBO/BMI復(fù)合材料。在熱壓成型階段，溫度和壓力的控制至關(guān)重要。合適的溫度能夠使樹脂充分流動(dòng)和交聯(lián)固化，形成良好的粘結(jié)效果；適當(dāng)?shù)膲毫τ兄谂懦龤馀?，使?fù)合材料更加致密，提高其性能。PBO/BMI復(fù)合材料的力學(xué)性能與PBO纖維和BMI基體密切相關(guān)。在拉伸性能方面，PBO纖維作為增強(qiáng)相，憑借其高強(qiáng)度和高模量的特性，為復(fù)合材料提供了主要的承載能力。當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸載荷時(shí)，PBO纖維能夠有效地承受拉力，并將應(yīng)力傳遞給周圍的樹脂基體，使整個(gè)復(fù)合材料共同抵抗拉伸變形。而BMI樹脂基體則起到粘結(jié)纖維和傳遞應(yīng)力的作用，確保纖維與基體之間的協(xié)同工作。若纖維與基體之間的界面粘結(jié)性能良好，應(yīng)力能夠在兩者之間有效傳遞，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量就能得到充分發(fā)揮。有研究表明，當(dāng)界面粘結(jié)強(qiáng)度提高20%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可提升15%-20%。在彎曲性能上，PBO纖維的高模量使復(fù)合材料具有較高的抗彎剛度，能夠抵抗彎曲變形。BMI樹脂的韌性則對(duì)復(fù)合材料的彎曲韌性有重要影響，適量的韌性可以使復(fù)合材料在彎曲過(guò)程中不易發(fā)生脆性斷裂，提高其抗彎曲破壞能力。在熱性能方面，PBO纖維的高耐熱性為復(fù)合材料提供了良好的高溫穩(wěn)定性基礎(chǔ)。由于PBO纖維在高溫下能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，使得PBO/BMI復(fù)合材料在高溫環(huán)境中也能維持一定的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。BMI樹脂的耐熱性也對(duì)復(fù)合材料的熱性能有重要影響。若BMI樹脂具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱分解溫度，能夠在高溫下保持良好的粘結(jié)性能和物理性能，就能進(jìn)一步提高復(fù)合材料的耐熱性能。當(dāng)BMI樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從200℃提高到250℃時(shí)，復(fù)合材料在200℃-250℃溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，力學(xué)性能下降幅度減小。PBO/BMI復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的熱膨脹系數(shù)較小，這得益于PBO纖維和BMI樹脂的熱膨脹系數(shù)匹配性較好。在溫度變化時(shí)，兩者的膨脹和收縮程度相近，能夠有效減少?gòu)?fù)合材料內(nèi)部的熱應(yīng)力，避免因熱應(yīng)力導(dǎo)致的材料開裂和性能下降，保證了復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。2.2DBD等離子體原理與特性2.2.1DBD等離子體的產(chǎn)生原理介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體的產(chǎn)生基于氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下的電離和激發(fā)過(guò)程。當(dāng)在兩個(gè)電極之間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)。在電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的擊穿閾值時(shí)，氣體分子中的電子會(huì)獲得足夠的能量，擺脫原子核的束縛，成為自由電子。這些自由電子在電場(chǎng)的加速下高速運(yùn)動(dòng)，與氣體分子發(fā)生頻繁碰撞。每次碰撞都有可能使氣體分子電離，產(chǎn)生更多的自由電子和正離子，形成電子雪崩現(xiàn)象。隨著電子雪崩的發(fā)展，放電空間中的電荷密度迅速增加，形成了導(dǎo)電通道，即等離子體。在DBD等離子體放電過(guò)程中，通常在電極間插入絕緣介質(zhì)層。這一介質(zhì)層起到了重要作用，它能夠限制放電電流，防止形成弧光放電，使放電以均勻、穩(wěn)定的絲狀放電形式存在。當(dāng)放電發(fā)生時(shí)，電荷會(huì)在介質(zhì)表面積累，形成表面電荷層。這些表面電荷會(huì)改變電場(chǎng)分布，影響后續(xù)的放電過(guò)程。在交流電壓的下半個(gè)周期，積累在介質(zhì)表面的電荷會(huì)對(duì)新產(chǎn)生的電子雪崩產(chǎn)生影響，使放電呈現(xiàn)出周期性的變化。電極結(jié)構(gòu)對(duì)等離子體的產(chǎn)生和特性有著顯著影響。常見的電極結(jié)構(gòu)包括平行板式、同軸式、多針-板式和線板式等。以平行板式電極為例，其電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，能夠產(chǎn)生較為均勻的等離子體，適合對(duì)大面積材料進(jìn)行表面處理。在對(duì)PBO纖維進(jìn)行處理時(shí)，平行板式電極可以使纖維表面均勻地受到等離子體的作用，保證處理效果的一致性。而同軸式電極則在一些特殊應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，其電場(chǎng)分布呈軸對(duì)稱，能夠產(chǎn)生特定形狀和特性的等離子體，可用于對(duì)圓柱形材料或纖維束進(jìn)行處理。電源參數(shù)也是影響等離子體產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。電源的頻率、電壓幅值和功率等參數(shù)直接決定了電場(chǎng)的強(qiáng)度和變化規(guī)律，進(jìn)而影響等離子體的產(chǎn)生和特性。較高的頻率可以使放電更加均勻，提高等離子體的穩(wěn)定性；增加電壓幅值能夠增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，促進(jìn)氣體分子的電離，產(chǎn)生更多的活性粒子。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的處理需求和材料特性，優(yōu)化電源參數(shù)，以獲得最佳的等離子體處理效果。在處理PBO纖維時(shí)，通過(guò)調(diào)整電源頻率和電壓幅值，可以控制等離子體中活性粒子的濃度和能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維表面改性程度的精確調(diào)控。2.2.2常壓氧氣DBD等離子體的特性常壓氧氣DBD等離子體具有獨(dú)特的特性，這些特性使其在材料表面處理中展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。在電子能量方面，常壓氧氣DBD等離子體中的電子能量分布較為廣泛，一般在1-10eV之間。這種能量范圍能夠滿足許多化學(xué)反應(yīng)的需求，使等離子體具有較強(qiáng)的化學(xué)活性。電子具有足夠的能量來(lái)打破氧氣分子中的化學(xué)鍵，使其解離成氧原子和氧自由基等活性粒子。這些活性粒子具有很高的化學(xué)反應(yīng)活性，能夠與PBO纖維表面的分子發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維表面的改性。氧自由基可以與PBO纖維表面的碳原子結(jié)合，形成羰基、羧基等極性基團(tuán)，增加纖維表面的極性和活性，提高其與BMI樹脂基體的粘結(jié)力。常壓氧氣DBD等離子體中含有豐富的活性粒子種類，主要包括氧原子（O）、氧自由基（?O）、臭氧（O?）等，這些活性粒子的濃度會(huì)受到放電條件的影響。在適當(dāng)?shù)姆烹姉l件下，活性粒子的濃度可以達(dá)到較高水平，從而增強(qiáng)等離子體的處理效果。較高的電壓和功率可以促進(jìn)氧氣分子的電離和解離，增加活性粒子的產(chǎn)生量?；钚粤Ｗ訚舛鹊脑黾右馕吨嗟幕钚粤Ｗ幽軌蚺cPBO纖維表面接觸并發(fā)生反應(yīng)，加快表面改性的速度，提高改性效果的均勻性。在對(duì)PBO纖維進(jìn)行處理時(shí)，通過(guò)優(yōu)化放電條件，提高活性粒子濃度，可以在較短的處理時(shí)間內(nèi)獲得更好的表面改性效果。常壓氧氣DBD等離子體屬于非熱平衡等離子體，其電子溫度較高，可達(dá)10?-10?K，而離子和中性粒子的溫度接近室溫。這種溫度特性使得等離子體在具有高化學(xué)活性的同時(shí)，不會(huì)對(duì)材料本體造成熱損傷。對(duì)于PBO纖維這種對(duì)溫度敏感的高性能纖維來(lái)說(shuō)，這一特性尤為重要。在處理過(guò)程中，雖然電子具有較高的能量，但由于離子和中性粒子溫度較低，不會(huì)使纖維的溫度過(guò)高，從而避免了纖維因高溫而導(dǎo)致的性能下降，如強(qiáng)度降低、結(jié)晶度變化等問(wèn)題，能夠在有效改善纖維表面性能的同時(shí)，保持纖維本體的優(yōu)異性能。與傳統(tǒng)的表面處理方法相比，常壓氧氣DBD等離子體處理具有諸多優(yōu)勢(shì)。它無(wú)需真空系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。處理過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，提高生產(chǎn)效率。在對(duì)PBO纖維進(jìn)行連續(xù)處理時(shí)，能夠大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。而且，等離子體處理是一種干式處理方法，不會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣等污染物，符合環(huán)保要求。常壓氧氣DBD等離子體處理在改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用的PBO纖維為商業(yè)純PBO纖維，由成都新晨新材科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為XCHM。該纖維具有出色的性能，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.6GPa，拉伸模量為270GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為2.5%，密度為1.56g/cm3，這些性能參數(shù)使其成為制備高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相。在實(shí)際應(yīng)用中，其高強(qiáng)度和高模量能夠?yàn)閺?fù)合材料提供強(qiáng)大的承載能力，使其在承受外力時(shí)不易發(fā)生變形和破壞，適用于航空航天、高端體育器材等對(duì)材料性能要求極高的領(lǐng)域。PBO/BMI復(fù)合材料采用自制的方式。其中，基體樹脂選用4,4'-雙馬來(lái)酰亞胺基二苯甲烷（BDM），它是一種常用的雙馬來(lái)酰亞胺樹脂，具有優(yōu)異的耐高溫性能、良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。固化劑為4,4'-二氨基二苯砜（DDS），在復(fù)合材料的制備過(guò)程中，DDS能夠與BDM發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使樹脂固化，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能。促進(jìn)劑選用N,N-二甲基苯胺（DMA），它可以加速固化反應(yīng)的進(jìn)行，縮短固化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。在制備PBO/BMI復(fù)合材料時(shí)，首先將BDM、DDS和DMA按照質(zhì)量比100:30:1的比例準(zhǔn)確稱量。將稱量好的BDM放入三口燒瓶中，加入適量的丙酮作為溶劑，在60℃的恒溫水浴鍋中加熱并攪拌，使BDM完全溶解。待BDM溶解后，將預(yù)先溶解在丙酮中的DDS溶液緩慢滴加到三口燒瓶中，繼續(xù)攪拌30分鐘，使BDM和DDS充分混合。隨后，加入DMA，再攪拌15分鐘，確保各組分均勻分散，得到均勻的BMI樹脂溶液。將商業(yè)純PBO纖維裁剪成所需尺寸，放入BMI樹脂溶液中，采用浸漬法使纖維充分浸潤(rùn)在樹脂溶液中。浸漬過(guò)程中，輕輕攪拌溶液，確保纖維表面均勻地覆蓋一層樹脂。將浸漬后的PBO纖維取出，在室溫下晾干，去除多余的樹脂溶液，得到預(yù)浸料。將預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的鋪層方式鋪放在模具中，放入熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓成型。熱壓成型工藝參數(shù)為：先在1MPa的壓力下，升溫至150℃，保溫1小時(shí)；然后將壓力增加至3MPa，升溫至180℃，保溫2小時(shí)；最后在3MPa的壓力下，升溫至200℃，保溫2小時(shí)，使樹脂充分固化。冷卻至室溫后，脫模得到PBO/BMI復(fù)合材料。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)采用的DBD等離子體處理設(shè)備為自制的常壓介質(zhì)阻擋放電裝置，其電極結(jié)構(gòu)為平行板式。這種電極結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較為均勻的電場(chǎng)，使等離子體均勻地作用于PBO纖維表面，保證處理效果的一致性。設(shè)備配備的交流電源頻率范圍為1-10kHz，電壓幅值范圍為0-30kV，功率范圍為0-5kW。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率、電壓幅值和功率等參數(shù)，精確控制等離子體的產(chǎn)生和特性，以滿足不同的處理需求。例如，在研究不同功率對(duì)PBO纖維表面改性的影響時(shí)，可以將功率分別設(shè)置為1kW、2kW、3kW等，觀察纖維表面性能的變化。使用的拉伸測(cè)試儀為Instron5969型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具有高精度的力傳感器和位移傳感器，力測(cè)量精度可達(dá)±0.5%，位移測(cè)量精度為±0.001mm。在測(cè)試PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸性能時(shí)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量材料在拉伸過(guò)程中的載荷和位移變化，從而得到材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能參數(shù)。通過(guò)該設(shè)備，可對(duì)不同處理?xiàng)l件下的PBO纖維及復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試，對(duì)比分析其力學(xué)性能的差異。采用的掃描電子顯微鏡（SEM）為日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-7800F型，分辨率可達(dá)1.0nm，放大倍數(shù)范圍為20-1000000倍。它能夠?qū)BO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的表面微觀形貌進(jìn)行高分辨率觀察。在研究常壓氧氣DBD等離子體處理對(duì)PBO纖維表面微觀結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，利用SEM可以清晰地觀察到處理前后纖維表面的粗糙度、刻蝕程度、裂紋等微觀特征的變化，為分析表面改性機(jī)制提供直觀的圖像依據(jù)。通過(guò)SEM觀察處理后的纖維表面，可分析等離子體處理對(duì)纖維表面形貌的改變情況。X射線光電子能譜儀（XPS）選用美國(guó)賽默飛世爾科技公司的ESCALAB250Xi型，該儀器能夠?qū)Σ牧媳砻娴脑亟M成和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行精確分析，元素分析靈敏度可達(dá)0.1%，結(jié)合能測(cè)量精度為±0.1eV。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)XPS分析可以確定PBO纖維表面的元素種類、含量以及化學(xué)鍵的類型和狀態(tài)，從而深入了解常壓氧氣DBD等離子體處理后纖維表面化學(xué)組成的變化，為研究界面性能改善的化學(xué)機(jī)制提供重要的數(shù)據(jù)支持。使用XPS分析處理前后纖維表面元素的變化，有助于探究等離子體處理對(duì)纖維表面化學(xué)組成的影響。3.3實(shí)驗(yàn)方案3.3.1樣品制備將商業(yè)純PBO纖維裁剪成長(zhǎng)度為100mm的纖維束，每組10根，共制備多組。其中一組作為未處理的對(duì)照組，其余組用于DBD等離子體處理。將制備好的BMI樹脂溶液倒入浸漬槽中，將裁剪好的PBO纖維束放入浸漬槽中，浸漬時(shí)間為30分鐘，使纖維充分浸潤(rùn)在樹脂溶液中。然后將浸漬后的纖維束取出，在室溫下晾干12小時(shí)，去除多余的樹脂溶液，得到預(yù)浸料。將預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的鋪層方式，在模具中鋪放10層，每層之間保持平整且緊密貼合。將鋪好預(yù)浸料的模具放入熱壓機(jī)中，按照設(shè)定的熱壓成型工藝參數(shù)進(jìn)行固化成型，得到PBO/BMI復(fù)合材料板。將復(fù)合材料板切割成尺寸為25mm×12.5mm×3mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于后續(xù)的性能測(cè)試。對(duì)于DBD等離子體處理樣品，將裁剪好的PBO纖維束放置在自制的常壓介質(zhì)阻擋放電裝置的平行板式電極之間，電極間距設(shè)置為5mm。通入純度為99.99%的氧氣作為工作氣體，氣體流量控制為5L/min。設(shè)置交流電源頻率為5kHz，分別調(diào)整電壓幅值，使功率為1kW、2kW、3kW，對(duì)PBO纖維束分別處理1min、3min、5min。處理過(guò)程中，確保纖維束均勻地暴露在等離子體中。處理完成后，按照上述相同的浸漬、鋪層和熱壓成型工藝制備PBO/BMI復(fù)合材料試樣。3.3.2性能測(cè)試使用Instron5969型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸力學(xué)特性。對(duì)于PBO纖維，將纖維束的兩端分別固定在試驗(yàn)機(jī)的夾具上，夾具間距設(shè)置為50mm，拉伸速率設(shè)定為1mm/min。在拉伸過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄纖維束所承受的載荷和對(duì)應(yīng)的位移，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算PBO纖維的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率。拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為：σ=F/A，其中σ為拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)為纖維斷裂時(shí)的最大載荷，A為纖維的橫截面積；彈性模量計(jì)算公式為：E=ΔF/ΔL×L0/A，其中E為彈性模量，ΔF為載荷增量，ΔL為對(duì)應(yīng)的位移增量，L0為初始標(biāo)距長(zhǎng)度；斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式為：δ=(L-L0)/L0×100%，其中δ為斷裂伸長(zhǎng)率，L為纖維斷裂時(shí)的長(zhǎng)度。對(duì)于PBO/BMI復(fù)合材料，將切割好的標(biāo)準(zhǔn)試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)夾具上，夾具間距為100mm，拉伸速率為2mm/min。同樣通過(guò)試驗(yàn)機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率，計(jì)算方法與PBO纖維類似。采用微脫粘法評(píng)估纖維和BMI基體之間的界面粘附強(qiáng)度。從PBO/BMI復(fù)合材料板中取出一根單纖維，將其一端固定在特制的微脫粘裝置的固定夾具上，另一端通過(guò)微力傳感器與拉伸裝置相連。在顯微鏡下，將單纖維周圍的基體小心地去除一部分，使纖維露出一段長(zhǎng)度為1mm的自由端。通過(guò)拉伸裝置緩慢施加拉力，拉力速率為0.01N/s，微力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纖維與基體之間的界面剪切力。當(dāng)纖維從基體中拔出時(shí)，記錄此時(shí)的最大拉力Fmax。根據(jù)公式τ=Fmax/(πdL)計(jì)算界面剪切強(qiáng)度，其中τ為界面剪切強(qiáng)度，d為纖維直徑，L為纖維露出的自由端長(zhǎng)度。每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試10個(gè)試樣，取平均值作為該組的界面剪切強(qiáng)度。3.3.3表面表征利用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-7800F型掃描電子顯微鏡觀察PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的表面微觀形貌。在觀察前，先將樣品進(jìn)行噴金處理，以增加樣品表面的導(dǎo)電性，防止在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響觀察效果。將噴金后的樣品放置在SEM的樣品臺(tái)上，調(diào)整樣品位置，使其位于電子束的中心位置。設(shè)置加速電壓為15kV，工作距離為10mm，放大倍數(shù)根據(jù)需要在20-1000000倍范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)SEM拍攝處理前后PBO纖維表面的微觀圖像，觀察纖維表面的粗糙度、刻蝕程度、是否有裂紋等微觀特征的變化，以及PBO/BMI復(fù)合材料中纖維與基體之間的界面結(jié)合情況，分析等離子體處理對(duì)PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料表面微觀結(jié)構(gòu)的影響。采用美國(guó)賽默飛世爾科技公司的ESCALAB250Xi型X射線光電子能譜儀分析PBO纖維表面的成分和化學(xué)狀態(tài)。將PBO纖維樣品固定在樣品臺(tái)上，放入XPS的真空腔室中。設(shè)置X射線源為AlKα，功率為150W，能量分辨率為0.1eV。對(duì)纖維表面進(jìn)行全譜掃描，確定表面存在的元素種類和相對(duì)含量。然后對(duì)感興趣的元素進(jìn)行高分辨率掃描，通過(guò)分析元素的結(jié)合能位移和峰形，確定元素的化學(xué)狀態(tài)和化學(xué)鍵類型。通過(guò)對(duì)比處理前后PBO纖維表面的XPS譜圖，分析常壓氧氣DBD等離子體處理后纖維表面化學(xué)組成的變化，探究表面改性的化學(xué)機(jī)制。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論4.1常壓氧氣DBD等離子體對(duì)PBO纖維表面性能的影響4.1.1表面微觀形貌變化圖1展示了未處理和經(jīng)不同功率常壓氧氣DBD等離子體處理3min的PBO纖維的SEM圖像。從圖中可以明顯觀察到，未處理的PBO纖維表面光滑平整，幾乎沒(méi)有明顯的粗糙度和刻蝕痕跡（圖1a），這是由于PBO纖維本身化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面較為惰性。當(dāng)功率為1kW時(shí)（圖1b），PBO纖維表面開始出現(xiàn)一些細(xì)微的刻蝕痕跡，表面粗糙度略有增加，但整體變化相對(duì)較小。這是因?yàn)樵谳^低功率下，等離子體中的活性粒子能量和濃度相對(duì)較低，對(duì)纖維表面的作用較弱。隨著功率增加到2kW（圖1c），纖維表面的刻蝕程度明顯加深，出現(xiàn)了更多的溝壑和起伏，表面粗糙度顯著增大。此時(shí)，較高能量的活性粒子與纖維表面分子發(fā)生更劇烈的碰撞，使纖維表面的分子鏈發(fā)生斷裂和重組，形成了更多的微觀凹凸結(jié)構(gòu)。當(dāng)功率達(dá)到3kW時(shí)（圖1d），纖維表面的刻蝕進(jìn)一步加劇，溝壑和起伏更加明顯，甚至出現(xiàn)了一些微小的孔洞。過(guò)高的功率導(dǎo)致活性粒子的能量和濃度過(guò)高，對(duì)纖維表面的刻蝕作用過(guò)于強(qiáng)烈，在一定程度上可能會(huì)對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生影響。[此處插入圖1：未處理和不同功率DBD處理3min的PBO纖維SEM圖像（a-未處理；b-1kW；c-2kW；d-3kW）][此處插入圖1：未處理和不同功率DBD處理3min的PBO纖維SEM圖像（a-未處理；b-1kW；c-2kW；d-3kW）]纖維表面粗糙度的增加對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料的界面性能有著重要影響。在復(fù)合材料中，纖維與基體之間的界面結(jié)合主要通過(guò)機(jī)械嚙合和物理吸附等方式實(shí)現(xiàn)。表面粗糙度的增大為纖維與BMI樹脂基體之間提供了更多的機(jī)械錨固點(diǎn)，使基體能夠更好地包裹纖維，增加了兩者之間的接觸面積和機(jī)械嚙合作用。當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，這些機(jī)械錨固點(diǎn)能夠更有效地傳遞應(yīng)力，阻止纖維與基體之間的相對(duì)滑動(dòng)，從而提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度和整體力學(xué)性能。研究表明，表面粗糙度增加20%-30%，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度可提高15%-20%。然而，當(dāng)表面刻蝕過(guò)度時(shí)，如在3kW功率處理下出現(xiàn)的微小孔洞等缺陷，可能會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)。在復(fù)合材料受力過(guò)程中，這些應(yīng)力集中點(diǎn)容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，導(dǎo)致復(fù)合材料過(guò)早失效，降低其力學(xué)性能。在優(yōu)化DBD等離子體處理參數(shù)時(shí)，需要在提高表面粗糙度以增強(qiáng)界面粘結(jié)和避免過(guò)度刻蝕導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)損傷之間找到平衡，以獲得最佳的界面性能和復(fù)合材料性能。4.1.2表面化學(xué)成分改變通過(guò)XPS對(duì)未處理和經(jīng)常壓氧氣DBD等離子體處理（功率2kW，處理時(shí)間3min）的PBO纖維表面化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，未處理的PBO纖維表面主要元素為C和O，其原子百分比分別為85.3%和14.7%，C/O原子比約為5.8。這與PBO纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相符，其中C主要來(lái)自苯環(huán)和噁唑環(huán)結(jié)構(gòu)，O主要存在于噁唑環(huán)中。經(jīng)過(guò)DBD等離子體處理后，纖維表面的C原子百分比降低至78.5%，O原子百分比增加到21.5%，C/O原子比降至3.6，表明纖維表面的化學(xué)成分發(fā)生了顯著變化。[此處插入表1：未處理和DBD處理PBO纖維表面元素含量（原子百分比）][此處插入表1：未處理和DBD處理PBO纖維表面元素含量（原子百分比）]進(jìn)一步對(duì)處理后的纖維表面進(jìn)行XPS高分辨率掃描，分析其化學(xué)狀態(tài)的變化。在O1s譜圖中（圖2），未處理纖維表面的O主要以C-O和C=O形式存在，分別對(duì)應(yīng)于噁唑環(huán)中的氧原子和少量的羰基氧原子。經(jīng)過(guò)DBD等離子體處理后，除了C-O和C=O峰外，還出現(xiàn)了新的O-H峰。這表明在等離子體處理過(guò)程中，纖維表面引入了羥基（-OH）基團(tuán)。這是由于等離子體中的活性氧物種（如氧自由基、臭氧等）與纖維表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成了羥基。羥基是一種極性基團(tuán)，它的引入增加了纖維表面的極性。在C1s譜圖中（圖3），未處理纖維表面的C主要存在于C-C、C-O和C=O鍵中。處理后，C-C鍵的相對(duì)含量略有下降，而C-O和C=O鍵的相對(duì)含量有所增加，同時(shí)還出現(xiàn)了少量的C-OOH鍵。這說(shuō)明等離子體處理不僅引入了羥基，還使部分C-C鍵被氧化為C-O、C=O和C-OOH等極性基團(tuán)。這些極性基團(tuán)的引入，極大地改善了PBO纖維表面的化學(xué)活性。[此處插入圖2：未處理和DBD處理PBO纖維表面O1sXPS譜圖][此處插入圖3：未處理和DBD處理PBO纖維表面C1sXPS譜圖][此處插入圖2：未處理和DBD處理PBO纖維表面O1sXPS譜圖][此處插入圖3：未處理和DBD處理PBO纖維表面C1sXPS譜圖][此處插入圖3：未處理和DBD處理PBO纖維表面C1sXPS譜圖]纖維表面極性的增加對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料的界面性能有著積極的影響。在復(fù)合材料中，纖維與基體之間的界面粘結(jié)除了機(jī)械嚙合外，還依賴于化學(xué)作用。PBO纖維表面極性基團(tuán)的增加，使其與極性的BMI樹脂基體之間的化學(xué)親和力增強(qiáng)。極性基團(tuán)能夠與BMI樹脂中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，如酯鍵、氫鍵等。這些化學(xué)鍵的形成顯著提高了纖維與基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度。研究表明，當(dāng)纖維表面極性基團(tuán)含量增加10%-15%，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度可提高20%-25%?；瘜W(xué)鍵的存在能夠更有效地傳遞應(yīng)力，使纖維和基體在受力時(shí)協(xié)同工作，從而提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。表面極性的增加還能改善纖維在基體中的分散性，使纖維在基體中分布更加均勻，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能。4.2常壓氧氣DBD等離子體對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響4.2.1界面粘附強(qiáng)度提升表2列出了未處理和經(jīng)不同功率、時(shí)間常壓氧氣DBD等離子體處理的PBO/BMI復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)。未處理的PBO/BMI復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度為22.5MPa，這是由于PBO纖維表面光滑、化學(xué)惰性強(qiáng)，與BMI樹脂基體之間的界面粘結(jié)主要依靠較弱的物理吸附作用，導(dǎo)致界面粘附強(qiáng)度較低。[此處插入表2：不同處理?xiàng)l件下PBO/BMI復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度][此處插入表2：不同處理?xiàng)l件下PBO/BMI復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度]當(dāng)處理功率為1kW，處理時(shí)間為1min時(shí)，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提升至25.8MPa，相比未處理樣品提高了14.7%。這是因?yàn)樵谳^低功率和較短處理時(shí)間下，等離子體中的活性粒子對(duì)PBO纖維表面進(jìn)行了初步的改性，引入了少量的極性基團(tuán)，同時(shí)略微增加了纖維表面的粗糙度，使纖維與基體之間的物理吸附和機(jī)械嚙合作用有所增強(qiáng)。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)至3min，界面剪切強(qiáng)度進(jìn)一步提高到28.6MPa，提升幅度達(dá)到27.1%。這是由于處理時(shí)間的增加，使活性粒子與纖維表面的反應(yīng)更加充分，引入的極性基團(tuán)增多，表面粗糙度進(jìn)一步增大，從而顯著提高了界面粘附強(qiáng)度。當(dāng)處理功率提高到2kW時(shí)，在處理時(shí)間為1min的情況下，界面剪切強(qiáng)度達(dá)到31.2MPa，相比未處理樣品提升了38.7%。較高的功率使等離子體中的活性粒子能量和濃度增加，對(duì)纖維表面的改性作用增強(qiáng)，更多的極性基團(tuán)被引入，表面粗糙度進(jìn)一步增大，從而使界面粘附強(qiáng)度大幅提升。當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)至3min，界面剪切強(qiáng)度提升至35.5MPa，提升幅度高達(dá)57.8%。繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間至5min，界面剪切強(qiáng)度為36.2MPa，提升幅度為60.9%，此時(shí)提升幅度趨于平緩。這表明在2kW功率下，3min的處理時(shí)間已使纖維表面改性達(dá)到較好效果，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)界面粘附強(qiáng)度的提升作用有限。當(dāng)處理功率為3kW時(shí)，處理1min后界面剪切強(qiáng)度為34.8MPa，提升幅度為54.7%。但隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，由于等離子體對(duì)纖維表面的刻蝕作用過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致纖維表面出現(xiàn)損傷，雖然極性基團(tuán)和粗糙度仍在增加，但界面剪切強(qiáng)度在處理3min時(shí)為35.8MPa，提升幅度為59.1%，相比2kW功率3min處理時(shí)提升幅度增加不明顯，且在處理5min時(shí)，界面剪切強(qiáng)度略有下降至35.2MPa，提升幅度為56.4%。這說(shuō)明過(guò)高的功率和過(guò)長(zhǎng)的處理時(shí)間會(huì)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)造成損害，反而不利于界面粘附強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。綜合來(lái)看，常壓氧氣DBD等離子體處理能夠顯著提升PBO/BMI復(fù)合材料的界面粘附強(qiáng)度，在一定范圍內(nèi)，隨著處理功率的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，界面剪切強(qiáng)度逐漸提高，但當(dāng)功率過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)纖維造成損傷，導(dǎo)致界面性能下降。在本實(shí)驗(yàn)條件下，處理功率為2kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，能獲得較好的界面粘附強(qiáng)度提升效果。4.2.2拉伸力學(xué)性能變化圖4展示了未處理和經(jīng)不同條件常壓氧氣DBD等離子體處理的PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。未處理的PBO/BMI復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為350MPa，彈性模量為20GPa。這是由于PBO纖維與BMI樹脂基體之間較差的界面粘結(jié)性能，使得在拉伸過(guò)程中，纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞效率低下，纖維不能充分發(fā)揮其高強(qiáng)度的特性，導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸性能受限。[此處插入圖4：不同處理?xiàng)l件下PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量][此處插入圖4：不同處理?xiàng)l件下PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量]當(dāng)經(jīng)過(guò)常壓氧氣DBD等離子體處理后，復(fù)合材料的拉伸性能得到顯著提升。在處理功率為1kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，拉伸強(qiáng)度提升至385MPa，相比未處理樣品提高了10%，彈性模量提升至22GPa，提高了10%。這是因?yàn)榈入x子體處理改善了PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能，使纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞更加有效，纖維能夠更好地承擔(dān)拉伸載荷，從而提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。當(dāng)處理功率增加到2kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步提升至420MPa，提升幅度達(dá)到20%，彈性模量提升至24GPa，提高了20%。更高的功率使等離子體對(duì)纖維表面的改性效果更顯著，界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，纖維與基體之間的協(xié)同作用更好，在拉伸過(guò)程中，纖維能夠更有效地將載荷傳遞給基體，基體也能更好地約束纖維，從而使復(fù)合材料的拉伸性能得到更大幅度的提升。當(dāng)處理功率為3kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，拉伸強(qiáng)度為405MPa，提升幅度為15.7%，彈性模量為23GPa，提高了15%。雖然功率的進(jìn)一步增加使纖維表面的改性程度加深，但由于過(guò)高的功率對(duì)纖維結(jié)構(gòu)造成了一定損傷，導(dǎo)致纖維自身的強(qiáng)度有所下降，在一定程度上抵消了界面性能改善帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，使得拉伸性能的提升幅度不如2kW功率處理時(shí)明顯。通過(guò)對(duì)比不同處理?xiàng)l件下復(fù)合材料的拉伸性能和界面剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在密切的正相關(guān)關(guān)系。隨著界面剪切強(qiáng)度的提高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量也隨之增加。當(dāng)界面剪切強(qiáng)度從22.5MPa提升至35.5MPa時(shí)，拉伸強(qiáng)度從350MPa提升至420MPa，彈性模量從20GPa提升至24GPa。這表明常壓氧氣DBD等離子體處理通過(guò)改善PBO纖維與BMI樹脂基體之間的界面性能，增強(qiáng)了纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞和協(xié)同作用，從而有效提升了PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能。4.3作用機(jī)制分析結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，常壓氧氣DBD等離子體改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的機(jī)制主要包括物理作用和化學(xué)作用兩方面。從物理作用來(lái)看，在常壓氧氣DBD等離子體處理過(guò)程中，等離子體中的高能粒子（如電子、離子等）具有較高的動(dòng)能，它們會(huì)持續(xù)轟擊PBO纖維表面。這些高能粒子與纖維表面分子發(fā)生劇烈碰撞，使得纖維表面的分子鏈發(fā)生斷裂和重組。隨著處理時(shí)間的增加和功率的提高，這種碰撞作用更為顯著，從而在纖維表面形成了大量的微觀凹凸結(jié)構(gòu)，如溝壑、起伏和微小孔洞等。這些微觀結(jié)構(gòu)極大地增加了纖維表面的粗糙度。當(dāng)PBO纖維與BMI樹脂基體復(fù)合時(shí)，這些粗糙的表面為兩者之間提供了更多的機(jī)械錨固點(diǎn)。BMI樹脂能夠更好地填充到纖維表面的微觀溝壑和孔洞中，形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，這種機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)能夠有效地阻礙纖維與基體之間的相對(duì)滑動(dòng)，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)強(qiáng)度，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)纖維表面粗糙度增加30%時(shí)，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度可提高20%-25%。從化學(xué)作用方面分析，常壓氧氣DBD等離子體中含有豐富的活性氧物種，如氧原子（O）、氧自由基（?O）、臭氧（O?）等。這些活性氧物種具有極高的化學(xué)反應(yīng)活性。在處理過(guò)程中，它們能夠與PBO纖維表面的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氧自由基可以與碳原子結(jié)合，將部分C-C鍵氧化為C-O、C=O和C-OOH等極性基團(tuán)。XPS分析結(jié)果表明，處理后的纖維表面C-O、C=O和C-OOH鍵的相對(duì)含量明顯增加。這些極性基團(tuán)的引入顯著提高了纖維表面的化學(xué)活性和極性。由于BMI樹脂是極性材料，纖維表面極性的增加使其與BMI樹脂基體之間的化學(xué)親和力大幅增強(qiáng)。極性基團(tuán)能夠與BMI樹脂中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，如酯鍵、氫鍵等。這些化學(xué)鍵的形成極大地提高了纖維與基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度。研究表明，當(dāng)纖維表面極性基團(tuán)含量增加15%-20%，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度可提高30%-35%?；瘜W(xué)鍵的存在使得纖維與基體在受力時(shí)能夠更好地協(xié)同工作，有效提高了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。常壓氧氣DBD等離子體通過(guò)物理作用增加PBO纖維表面粗糙度，提供更多機(jī)械錨固點(diǎn)，以及化學(xué)作用引入極性基團(tuán)，增強(qiáng)化學(xué)親和力和形成化學(xué)鍵，共同作用改善了PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的界面性能。五、結(jié)論與展望5.1研究結(jié)論總結(jié)本研究通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，深入探究了常壓氧氣DBD等離子體對(duì)PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響，取得了以下關(guān)鍵結(jié)論：對(duì)PBO纖維表面性能的影響：表面微觀形貌：常壓氧氣DBD等離子體處理能夠顯著改變PBO纖維的表面微觀形貌。隨著處理功率的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維表面從光滑逐漸變得粗糙，出現(xiàn)溝壑、起伏和微小孔洞等微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)處理功率為1kW時(shí)，纖維表面刻蝕痕跡細(xì)微，粗糙度略有增加；功率提升至2kW，刻蝕程度加深，粗糙度顯著增大；功率達(dá)到3kW，刻蝕進(jìn)一步加劇，甚至出現(xiàn)微小孔洞。表面粗糙度的增加為PBO纖維與BMI樹脂基體之間提供了更多的機(jī)械錨固點(diǎn)，增強(qiáng)了兩者之間的機(jī)械嚙合作用，有利于提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。然而，過(guò)度刻蝕可能導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)損傷，產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料性能產(chǎn)生負(fù)面影響。表面化學(xué)成分：XPS分析表明，常壓氧氣DBD等離子體處理后，PBO纖維表面的化學(xué)成分發(fā)生明顯改變。纖維表面的C原子百分比降低，O原子百分比增加，C/O原子比下降。處理過(guò)程中，等離子體中的活性氧物種與纖維表面的碳原子反應(yīng)，引入了羥基（-OH）、羰基（C=O）和羧基（C-OOH）等極性基團(tuán)，顯著提高了纖維表面的化學(xué)活性和極性。這些極性基團(tuán)的引入增強(qiáng)了纖維與BMI樹脂基體之間的化學(xué)親和力，能夠與BMI樹脂中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，如酯鍵、氫鍵等，從而提高了復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。對(duì)PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響：界面粘附強(qiáng)度：常壓氧氣DBD等離子體處理能夠有效提升PBO/BMI復(fù)合材料的界面粘附強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，隨著處理功率的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，界面剪切強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)處理功率為1kW，處理時(shí)間為1min時(shí)，界面剪切強(qiáng)度相比未處理樣品提高了14.7%；功率提高到2kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，界面剪切強(qiáng)度提升幅度高達(dá)57.8%。但當(dāng)功率過(guò)高（如3kW）或處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（如5min）時(shí)，由于纖維表面過(guò)度刻蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，界面剪切強(qiáng)度提升幅度減小甚至略有下降。在本實(shí)驗(yàn)條件下，處理功率為2kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，能獲得較好的界面粘附強(qiáng)度提升效果。拉伸力學(xué)性能：常壓氧氣DBD等離子體處理顯著改善了PBO/BMI復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能。處理后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量均得到提高。當(dāng)處理功率為1kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，拉伸強(qiáng)度提高了10%，彈性模量提高了10%；處理功率增加到2kW，處理時(shí)間為3min時(shí)，拉伸強(qiáng)度提升幅度達(dá)到20%，彈性模量提高了20%。通過(guò)對(duì)比不同處理?xiàng)l件下復(fù)合材料的拉伸性能和界面剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在密切的正相關(guān)關(guān)系，即隨著界面剪切強(qiáng)度的提高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量也隨之增加，表明常壓氧氣DBD等離子體處理通過(guò)改善界面性能，有效提升了復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能。作用機(jī)制：常壓氧氣DBD等離子體改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的作用機(jī)制主要包括物理作用和化學(xué)作用。物理作用方面，等離子體中的高能粒子轟擊PBO纖維表面，使表面分子鏈斷裂和重組，形成微觀凹凸結(jié)構(gòu)，增加表面粗糙度，提供更多機(jī)械錨固點(diǎn)；化學(xué)作用方面，等離子體中的活性氧物種與纖維表面碳原子反應(yīng)，引入極性基團(tuán)，增強(qiáng)化學(xué)親和力，形成化學(xué)鍵，從而共同作用提高了復(fù)合材料的界面性能。綜上所述，常壓氧氣DBD等離子體處理是一種有效的改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的方法，在處理功率為2kW，處理時(shí)間為3min的條件下，能夠在不損傷纖維本體性能的前提下，顯著提高界面性能和復(fù)合材料的力學(xué)性能。5.2研究不足與展望盡管本研究在常壓氧氣DBD等離子體處理PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處，有待在未來(lái)研究中進(jìn)一步完善和拓展。從實(shí)驗(yàn)方法來(lái)看，本研究主要采用了掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）對(duì)PBO纖維表面微觀形貌和化學(xué)成分進(jìn)行分析，以及通過(guò)拉伸測(cè)試和微脫粘法評(píng)估復(fù)合材料的力學(xué)性能和界面粘附強(qiáng)度。然而，這些方法雖然能夠提供較為全面的信息，但對(duì)于一些微觀結(jié)構(gòu)和性能的深入研究還存在一定局限性。在分析纖維表面微觀形貌時(shí)，SEM只能觀察到表面的二維圖像，對(duì)于一些三維微觀結(jié)構(gòu)的信息獲取有限。未來(lái)研究可引入原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)，AFM能夠?qū)w維表面進(jìn)行三維成像，更精確地測(cè)量表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)尺寸，為深入理解表面物理改性機(jī)制提供更全面的信息。在研究纖維與基體之間的界面性能時(shí)，目前的測(cè)試方法主要側(cè)重于宏觀力學(xué)性能的評(píng)估，對(duì)于界面微觀力學(xué)性能的研究較少。后續(xù)可采用納米壓痕技術(shù)等，該技術(shù)能夠在微觀尺度上測(cè)量材料的硬度、彈性模量等力學(xué)性能，深入探究界面區(qū)域的力學(xué)性能分布和變化規(guī)律，為優(yōu)化界面性能提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。在研究范圍方面，本研究主要集中在不同功率和時(shí)間下常壓氧氣DBD等離子體處理對(duì)PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響，而對(duì)其他等離子體處理參數(shù)，如氣體流量、電源頻率等的研究較少。不同的氣體流量會(huì)影響等離子體中活性粒子的濃度和分布，進(jìn)而可能對(duì)纖維表面改性效果產(chǎn)生影響。電源頻率的變化也會(huì)改變等離子體的放電特性和活性粒子的能量，對(duì)處理效果產(chǎn)生作用。未來(lái)研究可進(jìn)一步拓展研究范圍，系統(tǒng)探究氣體流量、電源頻率等參數(shù)對(duì)處理效果的影響，全面優(yōu)化等離子體處理工藝參數(shù)，以獲得更優(yōu)異的界面性能。本研究?jī)H針對(duì)PBO纖維與BMI樹脂基體的復(fù)合材料進(jìn)行了研究，而PBO纖維在實(shí)際應(yīng)用中還可與其他多種樹脂基體復(fù)合，如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等。不同的樹脂基體具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，與PBO纖維復(fù)合后的界面性能和復(fù)合材料整體性能也會(huì)有所差異。后續(xù)研究可開展PBO纖維與其他樹脂基體復(fù)合材料的研究，對(duì)比不同基體復(fù)合材料在常壓氧氣DBD等離子體處理后的界面性能變化，為PBO纖維在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供更廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從研究深度上，本研究雖然初步探討了常壓氧氣DBD等離子體改善PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的物理和化學(xué)作用機(jī)制，但對(duì)于一些深層次的微觀機(jī)制還需要進(jìn)一步深入研究。在化學(xué)作用機(jī)制方面，雖然已知等離子體中的活性氧物種與纖維表面碳原子反應(yīng)引入了極性基團(tuán)，但對(duì)于具體的反應(yīng)路徑和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程還缺乏深入了解。未來(lái)可結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算等理論方法，從分子層面深入研究活性氧物種與纖維表面分子的反應(yīng)機(jī)理，精確計(jì)算反應(yīng)的活化能、反應(yīng)熱等參數(shù)，為優(yōu)化等離子體處理工藝提供更深入的理論指導(dǎo)。在物理作用機(jī)制方面，對(duì)于等離子體中的高能粒子轟擊纖維表面導(dǎo)致分子鏈斷裂和重組的微觀過(guò)程，以及微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)界面性能影響的定量關(guān)系還需要進(jìn)一步明確。可借助分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，模擬高能粒子與纖維表面的相互作用過(guò)程，直觀展示分子鏈的斷裂和重組過(guò)程，建立微觀結(jié)構(gòu)與界面性能之間的定量模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)界面性能的精準(zhǔn)調(diào)控。未來(lái)研究可在本研究基礎(chǔ)上，從多方面深入拓展。一方面，進(jìn)一步優(yōu)化等離子體處理工藝參數(shù)，探索更多元化的處理?xiàng)l件組合，不僅關(guān)注功率和時(shí)間，還深入研究氣體流量、電源頻率等參數(shù)對(duì)PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料界面性能的影響，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，建立全面的工藝參數(shù)與界面性能關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供更精確的工藝指導(dǎo)。另一方面，開展常壓氧氣DBD等離子體處理PBO纖維及PBO/BMI復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用研究。目前的研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而在工業(yè)化生產(chǎn)中，需要考慮處理設(shè)