对位芳纶纤维是一种取向度大、结晶度高的新型高性能纤维材料，具有耐疲劳、耐高温、耐腐蚀、模量高、强度大等特性。众所周知，纤维增强复合材料的机械性能取决于增强纤维、树脂基体及二者之间的结合作用。由于对位芳纶纤维具有较高的结晶度，导致纤维表面光滑，且具有惰性的化学结构，削弱了树脂基体和纤维表面之间的机械结合，直接限制了载荷在两者之间的传递。因此，有必要对对位芳纶纤维的表面进行改性，以提高纤维表面的粗糙度，增强其与树脂基体的结合力，以提高复合材料的物理机械性能。

对芳纶纤维进行改性的常用方法是化学改性，如聚合改性、化学表面接枝和化学刻蚀。化学改性的效果持久，且表面粗糙度和界面剪切强度均有显著提高。但会破坏纤维表面结构，导致力学性能下降，化学试剂排放也会对环境造成影响。而等离子体改性则解决了这些问题，它是通过激发一定能量的电子、离子和中性粒子，与纤维表面碰撞而产生一系列物理和化学过程，改变材料表面极性官能团和粗糙程度，不破坏纤维的力学性能且不会造成环境污染。

等离子体处理对纤维表面作用分析

形貌观察

利用扫描电子显微镜（SEM）对纤维表面刻蚀程度进行观察。图1-1为三种等离子体气体源处理对位芳纶纤维表面的SEM图。由图可知氮等离子体改性后的纤维表面的凹坑和沟壑最少，相比之下氩等离子体处理后的纤维表面产生了较多的刻蚀现象。氩/氮双等离子体改性后的纤维表面的刻蚀最严重。刻蚀程度决定了纤维与基体的机械互锁。刻蚀程度越高代表了纤维与基体的界面性能越好。所以氩/氮双等离子体对对位芳纶纤维的表面改性效果最好。

图1-1 三种气体源改性后芳纶纤维表面的SEM图（a）氮等离子体处理（b）氩等离子体处理 （c）氩/氮双等离子体处理

采用原子力纤维镜（AFM）观察双等离子体处理前后对位芳纶纤维的表面形貌变化。图1-2(a)和(b)分别为处理前后对位芳纶纤维表面形貌，表明氩/氮双等离子体改性可以在微观尺寸上改变表面形貌。改性前纤维表面较光滑，由于对位芳纶纤维特有的结构，表面存在一些沿纤维纵向平行的浅槽，表面平均粗糙度为80.3nm。改性后纤维表面形貌出现明显的改变，凸起和凹槽的数量大大增加，深度显著增加，使纤维表面平均粗糙度增大到254nm。这些变化有利于增大纤维与基体的界面性能，因为更粗糙的纤维表面会提供更高多的接触点，导致纤维与基体之间更高程度的机械互锁。

图1-2氩/氮双等离子体处理前后的AFM图

红外光谱分析

采用傅立叶变换近红外光谱仪分析双等离子体处理前后对位芳纶纤维的化学结构。数据从400cm^-1到4000cm^-1波段中收集。图1-3为氩/氮双等离子体、氩等离子体和氮等离子体与未改性对位芳纶纤维的红外光谱图。由图可见，双等离子体改性时，氩、氮等离子体协同作用，氮气在放电过程中与高能载气分子Ar发生碰撞，产生处于激发态的活性N原子，再加上氩原子也有很强的刻蚀作用，在纤维表面产生了强烈刻蚀和许多的官能团。在3310.3cm-1处的吸收峰是由于N-H伸缩振动，产生了-NH2。1647.2cm-1处的吸收峰是由于C=C的伸缩振动，产生了-COOH-。818.2cm-1处产生了-OH。

图1-3氩/氮双等离子体、氩等离子体和氮等离子体与未改性对位芳纶纤维的红外光谱图

氮等离子体改性后，缺少了高能载气分子氩的协同作用，只在3310.3cm-1处产生了-NH2，刻蚀作用较弱，极性表面自由能较低。氩等离子体改性后，产生的自由基进一步与空气接触发生自氧化作用，产生了较少的官能团。在1647.2cm-1处产生了极性官能团-COOH-，818.2cm-1也产生了-OH。由于Ar本身比N2更为惰性，因此需要更高的能量才能生成激发态的氩原子，它具有比氮原子更强的刻蚀作用。故氩/氮双等离子体改性效果最好。

综上所述：对位芳纶纤维与传统材料相比是一种取向度大、结晶度高的高性能纤维材料，具有耐疲劳、耐高温等特性，广泛应用于航空、汽车和弹道防护等领域。然而由于较高的结晶度和相对惰性的化学结构，直接削弱了纤维表面和树脂基体的结合能力。因此对对位芳纶纤维表面进行等离子体处理，以提高表面的结合力和粗糙度。一方面通过原子、电子的轰击在纤维表明产生新的极性官能团；另一方面也在纤维表面产生沟壑，增加了纤维表面的粗糙度，增大了纤维与基体的界面粘结性能