芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、高耐热性、耐疲劳和良好的绝缘性能，在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘拉杆等电气绝缘结构件中具有良好应用前景[1-2]。绝缘拉杆在服役过程中需同时承受机械疲劳载荷和复杂电场作用，纤维/树脂界面状态直接影响复合材料的载荷传递、缺陷演化及长期服役可靠性。因此，改善纤维/树脂界面结合，是提升绝缘拉杆综合性能和GIS设备服役可靠性的重要途径。

然而，芳纶纤维分子链高度取向、结晶结构稳定，刚性芳香环、致密链堆砌及分子间氢键网络降低了酰胺基团的可及性和反应活性，使纤维表面活性官能团含量低、化学惰性强，限制了其与环氧树脂的界面结合。因此，芳纶/环氧复合材料界面处易形成孔隙、脱黏和弱边界层等缺陷，在外加载荷作用下易引起应力集中和裂纹萌生，从而限制复合材料力学性能和服役可靠性的提升。

针对纤维/树脂界面结合不足的问题，研究人员已开展了化学刻蚀、偶联剂处理、表面接枝、纳米涂层和等离子体处理等改性研究。其中，介质阻挡放电(DBD)等离子体可在常压下产生高能电子、离子和自由基等活性粒子，通过表面清洗、刻蚀和化学活化调控纤维表面状态。与湿化学处理相比，DBD等离子体具有处理时间短、过程清洁和参数可调等特点，适用于芳纶纤维的温和表面活化。

DBD等离子体处理对芳纶纤维表面形貌及化学组分的影响

表面形貌

图1为不同气氛及不同功率等离子体处理前后芳纶纤维表面的SEM图像。由图1可见，未处理的芳纶纤维表面平整光滑；经等离子体处理后，纤维表面均出现不同程度的点状凸起、颗粒状微结构和浅层刻蚀痕迹，表明高能活性粒子能够诱导芳纶纤维表面发生微观刻蚀和形貌重构。不同功率下纤维表面形貌存在差异。66W处理时，纤维表面仅发生轻微粗化；功率提高至73W后，表面点状结构、浅层沟槽及局部刻蚀区域明显增多，其中N2气氛处理样品表面颗粒状凸起较明显，空气和O2气氛处理样品表面呈现较均匀的细微粗化结构。当功率进一步提高至90W时，纤维表面粗糙结构未继续增加，反而有减弱趋势，整体较73W处理样品更趋平整。这可能与高功率下等离子体轰击和刻蚀作用增强有关，过度刻蚀可能削弱或剥除已形成的表面微结构。由此可见，DBD等离子体处理对芳纶纤维表面形貌的影响具有功率依赖性，其中73W条件下纤维表面形成了较明显且相对均匀的微粗糙结构。

图1　芳纶纤维表面微观形貌的SEM图像

芳纶纤维表面化学组成　

图2为不同气氛等离子体处理前后芳纶纤维的FTIR谱图。未处理芳纶纤维(AF)的谱图中可见典型的聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)结构特征。经等离子体处理后，各样品主要特征峰位置与AF基本一致，说明处理后纤维仍保持PPTA主体骨架结构。不同气氛处理样品的谱图差异主要体现在部分特征峰的相对强度和峰形变化。与AF相比，AF-O2和AFN2在1700cm-1附近出现较弱的肩峰，该峰归属于羧基中的C=O伸缩振动，提示等离子体处理后纤维的表面发生了氧化活化，生成了含氧极性结构。与此同时，AF-O2和AF-N2在1540cm-1和1310cm-1附近的吸收峰也有所增强，分别对应于N—H弯曲/C—N伸缩耦合振动相关的酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带，说明等离子体处理可能引起酰胺键附近化学环境变化或表面含氮结构的形成或暴露。其中，AF-O2在1700cm-1附近的变化更明显，表明O2等离子体具有更强的氧化活化作用；AF-N2的变化则主要集中在1540cm-1和1310cm-1附近，可能与含氮活性结构变化及酰胺相关基团环境改变有关。相比之下，AF-A2的谱图变化较弱，表明本实验中空气等离子体引起的可由FTIR分辨的官能团变化相对有限。

图3和表1分别为不同气氛等离子体处理前后芳纶纤维表面的XPS谱图和元素含量。AF表面元素组成与PPTA理论组成存在一定差异，说明XPS探测到的纤维最外层组成并不完全等同于芳纶体相理论组成。这可能与芳纶纤维表面聚集态结构、吸附氧或弱边界层有关，类似现象在芳纶纤维XPS表征中已有报道。AF表面O1s含量为15.2%；经等离子体处理后，AF-A2、AF-N2和AF-O2表面O1s含量分别提高至18.3%、18.3%和20.2%，表明不同气氛DBD等离子体均可增加芳纶纤维表面的含氧组分。其中，AF-O2的O1s含量最高，说明O2等离子体具有更强的氧化活化作用。AF-N2的N1s含量由6.7%提高至11.0%，接近PPTA理论氮含量，表明N2处理有利于提高纤维表面含氮/酰胺相关结构的表征信号，也可能伴随少量新含氮结构的形成。相比之下，AF-A2的N1s含量降至2.6%，说明空气等离子体对表面含氮结构的影响不同于纯N2气氛。AF-N2和AF-O2的C1s含量分别降低至70.7%和72.6%，明显低于AF和AF-A2，同时伴随O1s和N1s含量增加，表明纯N2和O2气氛下纤维表面极性元素比例提高，表面元素组成变化更为显著。

图4给出了不同气氛等离子体处理前后，芳纶纤维表面C1s的XPS高分辨谱的分峰拟合谱图。C1s谱峰可分为C—C/C—H(284.8eV)、C—N/C—O(286.2eV)、C=O(287.9eV)和O—C=O(289.0eV)等组分。未处理AF的C1s谱峰以C—C/C—H组分为主，C—N/C—O和C=O组分的峰相对较弱，未观察到明显的O—C=O组分。经等离子体处理后，AFN2和AF-O2中C—C/C—H组分的峰减弱，而C—N/C—O、C=O和O—C=O等极性碳组分的峰增强，表明纯气氛等离子体能够有效调控纤维表面碳元素的化学状态。AF-O2中C—N/C—O和O—C=O组分的峰增强较明显，表明O2等离子体处理能够诱导纤维表面含氧极性结构的生成；AF-N2中C=O和O—C=O组分含量同样增加，说明N2处理后纤维表面也存在一定程度的含氧结构变化。相比之下，AF-A2的C1s分峰中虽然出现了O—C=O组分，但整体变化较小，说明在本实验条件下，空气等离子体对纤维表面化学状态的调控作用弱于纯N2和O2气氛。

图4　芳纶纤维C1s分峰拟合谱图

综合SEM、FTIR和XPS分析结果可知，等离子体处理能够通过表面刻蚀和活性粒子反应调控芳纶纤维表面形貌及化学组成，使纤维表面惰性碳结构减少，含氧或含氮相关极性组分增加。其中，O2等离子体主要表现为氧化活化作用，N2等离子体更明显地改变了表面含氮/酰胺相关结构，空气等离子体对表面化学状态的调控效果相对有限。