碳纤维（CF）作为一种高性能纤维材料，具有高轴向拉伸强度、高模量、优异的化学稳定性和热稳定性等特点，常被作为增强材料用于复合材料中。CF及其增强复合材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶、风机叶片等领域。碳纤维增强复合材料通常由纤维和树脂基体组成，主要分为热固性和热塑性复合材料。其中热塑性复合材料凭借独特优势逐渐替代以环氧树脂为主导的传统热固性复合材料。碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料具有高韧性、高比强度和高疲劳强度以及短成型周期等优异性能，而要充分发挥这些性能，关键在于实现纤维与树脂基体之间的有效载荷传递。然而，由于CF表面活性官能团的缺乏以及在制备过程中纤维表面的缺陷，纤维表面的润湿性差，严重影响了纤维与树脂基体的界面结合能力。CF与树脂基体之间的界面性能直接关系到CF的表面载荷传递。因此，必须对CF进行表面改性，以增强CF与树脂基体的结合能力。目前，常用的CF表面改性方法有氧化处理、等离子体处理、上浆/涂层改性和纳米材料增强等。

相比其他改性方法，等离子体处理因优势独特，被视为前景广阔的改性方法。等离子体处理是一种对CF等材料进行表面改性的有效方法。其原理是借助高频电磁振荡、高能辐射等手段，使惰性/含氧气体产生高能量等离子体，进而作用于CF表面并引入大量活性官能团，从而改善CF表面结构和性能。这种方式相较于其他处理手段，对纤维丝束原始性能的影响较小，能稳定地提高CF的表面能，进而实现CF与基体材料之间的良好结合。在实际应用中，等离子体处理展现出诸多优势，如操作流程较为简单，处理快速高效且整个过程绿色环保，不会造成污染，是一种可持续发展的处理技术。

氧等离子体处理对碳纤维表面特性的影响

表面形貌与表面粗糙度分析

图1为未处理及氧等离子体处理后CF表面SEM图。未处理CF表面可见沿纤维轴向分布的清晰沟槽结构[见图1(a)]，这是湿法纺丝工艺遗留的典型形貌特征。经100W-3min处理后，纤维表面沟槽边缘开始变得模糊，局部区域出现轻微刻蚀痕迹，但整体形貌未发生显著改变[见图1(b)]。当处理功率提升至200W时，刻蚀作用明显增强，沟槽结构被进一步打开，纤维表面呈现均匀的纳米尺度凹凸起伏[见图1(c)]，这种粗糙结构有利于增大纤维比表面积，为后续树脂浸润提供更多机械嵌合位点。而当处理功率继续增至300W时，纤维表面局部区域观察到微裂纹与表层剥落现象[见图1(d)]，表明过高的处理功率已引发过度刻蚀，对纤维表层结构造成损伤。为进一步考察处理时间对纤维表面形貌的影响，在处理功率200W条件下，对比了处理3min、6min及9min后CF的表面状态：3min时CF表面已出现均匀刻蚀形貌[见图1(c)]；6min时粗糙结构最为明显[见图1(e)]；处理时间延长至9min后，局部区域出现与高功率处理类似的微裂纹与剥落迹象[见图1(f)]，说明过长的处理时间同样会引发过度刻蚀。

图1 未处理及氧等离子体处理后CF表面SEM图 [(a)未处理CF； (b) 100 W-3 min样品； (c) 200 W-3 min样品； (d) 300 W-3 min样品； (e) 200 W-6 min样品； (f) 200 W-9 min样品]

不同条件氧等离子体处理后CF表面粗糙度见表1。由表可知：未处理CF表面粗糙度(Ra)为165nm；处理功率100W条件下，Ra值随处理时间延长由3min时的186nm缓增至9min时的201nm，增幅有限；处理功率200W条件下，3min时的Ra值与6min时的Ra值相近，9min时Ra值回落至221nm。300W-3min条件下Ra值为212nm，已明显低于200W的峰值。综合上述分析可以看出，100W功率偏低，刻蚀作用不充分，表面粗糙度提升有限；200W-6min时表面粗糙度达到峰值，表面刻蚀充分且未出现回落；处理功率升至300W或处理时间延长至9min后，Ra值不升反降，说明过度刻蚀已削蚀形成的粗糙结构。综合SEM与AFM分析结果，200W-6min在构建表面粗糙结构方面效果相对较好。上述分析结果表明，适度提高处理功率或延长处理时间可在纤维表面构建均匀的纳米粗糙结构，但功率过高或时间过长将引发过度刻蚀，已形成的粗糙结构被进一步削蚀，表面反趋平坦化，甚至产生结构性缺陷。

表面化学组成分析

表2为不同条件氧等离子体处理后CF表面元素组成。由表可以看出，未处理CF表面O/C原子比仅为0.20，这与其表面化学惰性的特征相符。CF石墨化结构中碳原子主要以sp2杂化形式存在，边缘及缺陷位点虽有少量含氧基团，但总体活性位点匮乏，难以与树脂基体形成有效化学键合。经氧等离子体处理后，所有样品的表面氧含量均显著提升。固定处理时间为3min，当功率由100W增至300W时，O/C原子比由0.29逐步升至0.44；这一趋势表明，提高功率或延长处理时间均可促进活性氧物（原子氧、氧自由基等）与CF表层的反应，引入更多含氧官能团。

进一步明确引入官能团的种类，对200W-6min样品的C1s峰进行了分峰拟合，结果见图2。除位于284.8eV处归属于石墨碳C—C/C=C的主峰外，在结合能286.0eV、287.5eV及289.0eV处出现3个明显的拟合峰，分别对应羟基或醚键（C—OH/C—OR）、羰基（C=O）以及羧基或酯基（O=C—OH/O=C—OR）。上述官能团的形成可从等离子体与碳表面作用机理加以理解。氧气在高频电场中被电离，产生原子氧、氧自由基、臭氧等活性粒子。这些高能粒子轰击CF表面时，首先攻击结构相对薄弱的sp2碳边缘及缺陷位点，使C=C键断裂并形成碳自由基，随后与氧活性物质结合生成各类含氧官能团。这些极性官能团的引入从根本上改变了CF表面的化学惰性，构成纤维与PEEK树脂产生强物理相互作用的化学基础。

表面浸润性分析

CF表面的浸润性是影响树脂基体铺展与浸渍行为的关键因素，直接关系到复合材料成型过程中纤维-基体界面结合质量。不同条件氧等离子体处理后CF与去离子水的接触角见图3。未处理CF水接触角高达97.5°，呈现明显的疏水特征。这与2.1.2节中测得的低O/C原子比0.20相吻合——表面极性官能团的匮乏使得纤维难以与水分子形成有效的氢键等相互作用。100W-3min样品水接触角降至71.3°，降幅约26.9%；200W-3min样品水接触角进一步降至69.3°，较未处理样品下降近30°；300W-3min样品水接触角继续减小至64.1°。处理时间的影响呈现相似趋势：处理功率200W时，水接触角由3min时的69.3°降至6min时的60.8°；但9min时水接触角小幅回升至62.2°。

图3 不同条件氧等离子体处理后碳纤维与去离子水的接触角

接触角的显著降低可从表面化学与物理形貌2个层面加以解释。化学层面，XPS分析已证实氧等离子体处理引入了大量C—OH、C=O及O=C—OH等含氧极性官能团，这些基团可通过氢键与水分子发生强相互作用。物理层面，AFM分析表明200W-6min条件下纤维表面粗糙度达到峰值238nm。根据Wenzel理论，对亲水表面而言，粗糙度的增加将进一步促进液滴铺展。值得注意的是，200W-9min时接触角较6min增加了约1.4°，而此时O/C原子比并未下降，但表面粗糙度已由6min时的238nm降至221nm。说明过度刻蚀导致粗糙结构被削蚀，物理形貌对浸润性的增益作用被削弱，部分抵消了化学活化带来的效果。

氧等离子体处理增强CF/PEEK界面结合的机理可归纳为物理嵌合与化学键合的协同作用。物理层面，等离子体刻蚀在纤维表面构建了纳米级凹凸结构，Ra值由165nm增至238nm，比表面积增大，为熔融PEEK提供了更多机械嵌合锚点。化学层面，表面引入的C—OH、C=O及COOH等含氧极性官能团不仅改善了树脂对纤维的浸润性，还可与PEEK分子链中的醚氧和酮基形成氢键等强物理相互作用，增强了界面区域的分子间作用力。物理嵌合与化学键合协同作用共同促成了界面应力传递效率的显著提升，宏观上表现为复合材料层压板层间粘接剪切强度、弯曲性能及拉伸性能的全面改善。