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常压氧气DBD等离子体：解锁PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能优化新路径

一、引言

1.1研究背景

1.1.1PBO纤维及PBO/BMI复合材料的特性与应用

聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维作为一种高性能有机纤维，自20世纪80年代由美国为发展航天航空事业而开发以来，凭借其卓越的性能在众多领域展现出巨大的应用潜力，被誉为“21世纪超级纤维”。PBO纤维的化学结构使其具有一系列优异特性。其分子链由刚性的苯环和杂环组成，高度取向的分子排列赋予了PBO纤维超高的强度和模量。研究数据表明，PBO纤维的拉伸强度可达5.8GPa，拉伸模量高达270GPa，这一性能远超传统的对位芳纶纤维，是目前有机纤维中力学性能最为突出的品种之一。同时，PBO纤维具有出色的耐热性，在空气中热解温度达到650℃，极限氧指数为68%，在火焰中不燃烧、不收缩，能在高温环境下保持稳定的性能。此外，它还具备良好的尺寸稳定性、耐摩擦性和耐化学腐蚀性。

基于这些优异性能，PBO纤维在多个领域得到了广泛应用。在航空航天领域，其轻质高强的特性使其成为制造飞行器结构部件、机翼、机身等的理想材料，能够有效减轻飞行器重量，提高燃油效率和飞行性能，增强其在复杂环境下的可靠性和安全性。例如，在卫星的结构框架中使用PBO纤维增强复合材料，可大幅减轻卫星重量，增加有效载荷，同时提高卫星在太空辐射和高低温交变环境下的稳定性。在军事领域，PBO纤维被用于制造防弹衣、防弹头盔、装甲防护材料等。由于其高强度和高模量，能够有效抵御子弹和弹片的冲击，为士兵提供可靠的防护。与传统的防弹材料相比，PBO纤维制成的防护装备更轻便，不会过多影响士兵的行动灵活性，在保障安全的同时提升了作战效能。在高端体育器材领域，如网球拍、高尔夫球杆、赛艇等，PBO纤维的应用显著提升了器材的性能。以网球拍为例，使用PBO纤维增强复合材料制造的球拍，不仅具有更高的强度和刚性，能够提供更大的击球力量和更好的控球性能，而且重量更轻，使运动员在长时间比赛中能够更轻松地挥拍，减少疲劳感。

PBO/BMI复合材料是将PBO纤维与双马来酰亚胺（BMI）树脂复合而成的高性能材料。BMI树脂具有优异的耐高温、耐化学腐蚀和良好的机械性能，与PBO纤维结合后，能够充分发挥两者的优势。PBO纤维作为增强相，为复合材料提供高强度和高模量，而BMI树脂作为基体相，起到粘结和传递载荷的作用，使复合材料具有良好的整体性和稳定性。这种复合材料在航空航天、电子、汽车等领域具有广阔的应用前景。在航空发动机的高温部件制造中，PBO/BMI复合材料能够承受高温和高压的恶劣环境，提高发动机的工作效率和可靠性。在电子领域，用于制造印刷电路板、电子封装材料等，其良好的绝缘性能和尺寸稳定性能够满足电子产品对高性能材料的需求。在汽车制造中，可用于制造汽车的轻量化结构部件，如车身框架、发动机罩等，在降低汽车重量的同时提高其安全性和燃油经济性。

然而，PBO纤维表面光滑，化学惰性强，与BMI树脂基体之间的界面粘结性能较差。这导致在复合材料受力时，纤维与基体之间的应力传递效率低下，容易出现界面脱粘等问题，严重影响复合材料的整体性能，限制了其在一些对性能要求苛刻领域的广泛应用。例如，在航空航天领域，当飞行器承受复杂载荷时，界面粘结性能不足可能导致复合材料结构的过早破坏，危及飞行安全。因此，改善PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面性能成为提高PBO/BMI复合材料性能的关键所在。

1.1.2传统表面处理方法的局限性

为了提高PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面粘附强度，科研人员尝试了多种传统的表面处理方法，如化学改性、常规等离子体处理等，但这些方法在实际应用中存在诸多局限性。

化学改性方法通常是利用化学试剂与PBO纤维表面发生化学反应，引入极性基团，以提高纤维表面的活性和润湿性，从而增强与树脂基体的粘结力。常用的化学改性方法包括酸处理、碱处理、偶联剂处理等。虽然这些方法在一定程度上能够改善界面性能，但也带来了一些问题。例如，酸处理和碱处理过程中，化学试剂的强腐蚀性可能会对PBO纤维的本体结构造成损伤，降低纤维的强度和模量。有研究表明，经过强酸处理后的PBO纤维，其拉伸强度可能会下降10%-20%。此外，化学改性过程中使用的大量化学试剂会产生废水、废气等污染物，处理不当会对环境造成严重危害，且化学改性工艺复杂，成本较高，不利于大规模工业化生产。

常规等离子体处理是在低压环境下进行的，通过等离子体中的高能粒子轰击PBO纤维表面，使其表面产生物理和化学变化，达到改善界面性能的目的。这种方法虽然能够在不显著影响纤维本体性能的前提下对表面进行改性，