在“双碳”战略的强力驱动下，交通运输、航空航天及高端装备制造领域对结构轻量化的需求达到了前所未有的高度。作为新一代主承力材料，碳纤维增强复合材料（CFRP）凭借仅为钢材四分之一的密度以及高达钢材五倍以上的比强度，已在波音787机身、新能源汽车电池包壳体及eVTOL（电动垂直起降飞行器）机体结构中获得广泛应用。据统计，运载工具每减重10%，燃油效率可提升6%—8%，对节能减排意义重大。然而，随着工程应用的不断拓展，单一CFRP材料高昂的制造成本及其在耐磨性、流体阻隔性及食品级安全性等方面的固有不足，逐渐成为制约其全场景应用的关键瓶颈。为此，基于“多材料混合设计”理念，将CFRP与高性能热塑性塑料进行异质复合，已成为实现结构功能一体化与成本效益优化的必然选择。在众多热塑性基体中，聚丙烯（PP）因其极低的密度（约0.9g/cm³）、优异的耐化学腐蚀性及较高的性价比，成为与CFRP进行轻量化复合的理想对象。

尽管PP/CFRP复合结构具有重大的工程价值，但二者悬殊的物理化学性质差异使得其界面连接成为材料科学领域的一大难题。根据热力学润湿理论，良好的界面结合始于胶粘剂在被粘物表面的充分铺展。然而，PP作为典型的非极性结晶聚合物，其分子链骨架完全由化学惰性的C—H与C—C键构成，表面能极低（约30mN/m），致使液态树脂在PP表面呈现强烈的疏水性（接触角大于90°），难以实现有效的物理润湿。尽管传统的机械打磨、酸碱刻蚀及火焰处理等方法可在一定程度上改善粘接性能，但其伴随的应力集中、环境污染及处理稳定性差等问题，已难以满足航空航天等高端制造领域对工艺质量的严苛要求。

低温等离子体处理技术作为一种先进的干式表面改性手段，近年来凭借其高效、低成本的特性在聚合物表面工程领域崭露头角。等离子体中富含的电子、离子及高能亚稳态粒子，能够在不损伤基体热敏特性的前提下，对材料表面实施纳米级改性。等离子体处理原理如图1所示，粒子发生器通过电离工作气体产生高能活性粒子，以物理轰击与化学活化的协同作用，完成对基材表面的清洁、刻蚀与改性，以此提升材料的界面结合性能。该技术的改性机理主要通过物理与化学的双重耦合效应实现：一方面，高能离子的物理轰击通过溅射作用清除表面弱边界层与污染物，并诱导产生纳米至微米级的凹坑与沟槽，显著增加比表面积，为胶粘剂的渗透提供丰富的机械互锁位点。

图1 等离子体处理原理

等离子体处理PP表面效果分析

为进一步探究等离子体改性对PP表面理化性质的影响，本研究测量了14种不同工艺方案下PP表面对去离子水和乙二醇的接触角，如图2所示，并基于OWRK模型计算了总表面自由能（SFE）及其色散分量与极性分量，如表1所示。

图2 表面接触角测试结果

表1  各方案处理表面接触角及表面能分析

测试结果表明，方案14未经处理的PP表面呈现极强的疏水性，水接触角高达90.3°，SFE仅为31.8mN/m。经过等离子体处理后，PP表面的接触角显著降低，总表面能大幅提升。

如方案9，其表面总自由能及极性分量急剧增加，其中极性分量提升主导表面能增加，物理刻蚀辅助机械互锁有效克服了非极性聚合物的润湿障碍。

这一改性效果的核心源于等离子体中活性粒子对PP表面的化学改性作用：氧自由基的能量较高，可以有效打断PP分子链中的C-C键与C-H键，在分子链末端引入羟基（-OH）、羰基（C=O）、羧基（-COOH）等极性含氧基团；这些极性基团共同提升了PP表面的极性。针对极性基团的定量验证，我们通过表面能的测试结果进一步证实了这一变化：PP表面的极性分量从初始的几乎为0，大幅提升至62.7mN/m，这一定量结果直接证实了极性基团的成功引入，这些极性基团主要为上述的羟基、羰基、羧基等含氧极性基团。

等离子体通过物理刻蚀形成微观粗糙结构、通过化学接枝引入极性官能团，在PP材料与CFRP界面处构建稳定的化学键合与机械互锁，显著提升界面结合强度。