冷等离子技术提升复合材料表面性能，推动航空航天等领域应用

Plasmatreat （德国施泰因哈根）成立于 1995 年，是一家家族企业，每年在德国、美国和中国的工厂生产约 800 套系统。该公司已在全球销售了 10,000 多套等离子处理系统。尽管 Plasmatreat 技术最初主要应用于金属、塑料和半导体，但多年来，该技术已应用于复合材料，并且发展迅速。

Plasmatreat 系统可在数秒内提供自动化、可靠且均匀的清洁和表面能激活，可针对大面积或集中的局部区域。其技术可优化油漆和涂料的粘合，以及机翼蒙皮中的复合蒙皮纵梁组件和汽车中常见的多材料粘合（例如混合金属和塑料复合材料）。但该技术还可以将纳米材料和雾化液体沉积在 1 至 2 微米厚的层中，以提供各种类型的保护，包括介电屏障以及其他功能——对于飞机、航天和能源生产中的下一代材料来说，这些功能越来越重要。

等离子体的工作原理

等离子是离子化气体。“我们的系统使用冷等离子，”Plasmatreat 高级研发工程师 Ryan Robinson 解释道。“我们从高压电弧开始，然后立即用高流量气体（例如空气或氮气）拉伸和稀释它，这样当它击中部件时，温度略高于室温。”

“我们基本上是将高压电注入干净、干燥的空气中来产生等离子体，”Plasmatreat 航空航天业务开发主管 Sarah Montrowl 补充道。“当等离子体经过表面时，它会破坏油脂、蜡和污垢等污染物的碳骨架，然后将其蒸发，留下一个纯净的表面。”

等离子体还会改变表面自由能（例如，从疏水性变为亲水性），从而改善其对粘合剂和涂层的润湿性。传统上，复合材料中使用水滴测试来指示表面是否经过适当准备以进行粘合。例如，在对碳纤维/环氧树脂层压板进行传统研磨或手工打磨，然后用溶剂擦拭后，该表面上的水滴应该是平坦的，接触角小于 40°，而疏水性表面上的水滴会形成水珠，接触角大于 90°。

“但是，我们的系统仅使用空气和电力，因此不会产生挥发性有机化合物 [VOC]、刺激性化学品或溶剂，也不会产生有害副产品，”罗宾逊说。“这也是一个自动化过程，减少了手工表面处理带来的体力劳动和不一致性，并且比大多数传统方法更具可持续性。”这包括金属的化学蚀刻和阳极氧化。

Montrowl 表示，等离子体还能形成功能性羟基、羰基和羧基，从而增加表面能，进而提高粘附力和粘合强度。“这与单纯使用磨蚀的机制不同。等离子体功能化使粘合剂或涂层能够形成化学共价键，而物理粗糙化则是一种机械键。”例如，处理航空级碳纤维/环氧层压板可以将表面能从 28 毫牛顿/米提高到 68 毫牛顿/米。我们稍后再讨论这个问题。

系统类型、可扩展性、应用程序

Plasmatreat 销售两种基于所用压力的基本系统。低压系统在真空室内应用等离子喷射，而其商标为Openair-Plasma 的系统则使用大气压喷射。这些系统可以位于封闭的机柜内，也可以是大型自动化系统的一部分，并且经常与笛卡尔或六轴机器人集成。

“对于我们的低压系统，标准腔室相当于一台迷你冰箱，”罗宾逊说。“还有一个大容量系统（大约 1,854 × 1,422 × 610 毫米），用于存放汽车保险杠大小的零件。你可以把相当多的大型零件装进去。”

Montrowl 指出，目前正在开发一种新型超大容量系统，用于复合材料机翼部件、蜂窝板和风力涡轮机转子叶片。“该系统更窄、更长，为这些目前手工打磨的大型部件节省大量时间，并且可靠性更高。”

Openair-Plasma 系统也可以扩展。它们由发电机、等离子控制单元和等离子喷射器组成。“我们提供的系统可以从一个发电机运行一个喷射器到 16 个喷射器，”Montrowl 说。“我们还提供一系列喷射器直径，用于处理局部或大面积区域。我们目前最大的直径是 135 毫米。”

那么这些设备处理复合表面的速度有多快呢？“通常以秒为单位，”罗宾逊说。“我们也可以改变速度，但常见的设置为 150 毫米/秒。”

Montrowl 表示，Plasmatreat 系统可处理多种复合材料。“我们目前正在研究碳纤维和玻璃纤维复合材料、不同类型的环氧复合材料、所有类型的蜂窝芯部件，以及热塑性复合材料，这些已成为我们的重点。”

增强粘合力且不损坏纤维

Montrowl 表示：“随着我们转向更先进的热固性塑料和热塑性塑料，我们发现这些表面的粘合难度非常大，尤其是当它们具有非极性时。”聚合物和塑料通常是非极性的，这意味着表面既没有正电荷也没有负电荷，因此无法进行共价键合。“在等离子处理过程中，我们会插入氧基团并对表面进行功能化，但不会暴露纤维，”她解释道。“这是我们听到的关于手工打磨的主要抱怨之一，你不想降低要粘合的材料的质量。我们的冷等离子不会烧蚀，因此还可以通过消除人为错误来节省成本。”

罗宾逊指出，由于表面不会受到机械或热损伤，因此我们能够对精细材料进行处理。“例如，我们可以对 200 微米厚的聚合物膜进行快速处理，然后再涂上专门的过滤涂层，这样粘合性非常好。”

华盛顿大学（西雅图）在涂层研究中进行的测试比较了采用各种表面处理方法的碳纤维/PEKK 复合材料。使用 Plasmatreat 系统制作的样品具有最小的接触角（最高的润湿性）、最高的功能性和最小的油漆去除面积。

在波音研发中心（美国华盛顿州西雅图）、卡洛斯三世大学（西班牙马德里）和布莱顿技术集团（美国俄亥俄州辛辛那提）进行的另一组测试中，与溶剂擦拭和喷砂相比，碳纤维和玻璃纤维增​​强环氧树脂的总表面能和极性表面能也显著增加。

复合材料表面的表面能和功能基团的增加可提高粘合强度。例如，Plasmatreat 对碳纤维增强聚合物进行的测试表明，与未处理的表面相比，碳纤维增强聚合物的搭接剪切强度高出 40%，并且更容易发生内聚破坏（即粘合剂在自身内断裂），而不是粘合剂破坏（即粘合剂与粘合表面分离）。

Montrowl 表示：“我们还看到了德克萨斯大学的测试结果，结果显示使用我们的系统处理的纤维对基质树脂的附着力更好。这已成为我们几位客户感兴趣的工作领域。”

等离子沉积涂层、多功能复合材料

Plasmatreat 系统不仅可以为某些涂层定制表面，还可以实际应用涂层。“在我们的低压系统中，我们引入液体化学品，这些化学品在进入腔室时会变成蒸汽，”Robinson 解释道。“我们称之为等离子增强化学气相沉积，它使我们能够将纳米涂层（厚度为 10-700 纳米的层）沉积并共价结合到表面上。”

Montrowl 表示：“我们还可以使用大气喷射系统来实现这一点，这是我们的 PlasmaPlus 技术。这通常是在使用等离子喷射清洁和激活部件表面后执行的第二步，我们可以使用不同的前体沉积功能涂层。通常，我们将其用作粘合层，用于将复合材料等不同材料粘合到金属或塑料上。”

“但我们也可以将硅氧烷用作阻隔涂层，以提高金属的耐腐蚀性，”罗宾逊说。“我们在胶层应用中使用相同的方法来防止复合材料的电化学腐蚀，并在电子和电路板应用中将介电屏障施加到玻璃纤维/环氧层压板和其他材料上。”

Montrowl 补充道：“因为这是一种纳米涂层，所以它对零件设计没有影响。现在它已被添加到许多此类设计和工艺的规范中。”

不断增长的应用程序

Plasmatreat 的大型系统正在不断增长。“行业正在转向使用大型机器人进行喷漆，”Montrowl 说，“我们的大面积喷射系统正在集成到这些机器人中。因此，它们将清洁、激活然后喷漆，而不是手工打磨所有这些大型结构。经过多年的开发工作，一些客户现在已将我们的大面积喷射系统添加到他们的工艺规范中。”

但她指出，大型低压舱的使用也在增长。“我们看到人们对机翼蒙皮、发动机舱和风力叶片的兴趣越来越大——这些部件体积较大，体积足够大，因此打磨或机械表面处理等劳动密集型方法不再适合。这些舱室也成为具有大量几何形状（如蜂窝状或难以触及的狭窄特征）的部件的首选方法。”

Plasmatreat 发现，各行各业都存在产量增加的趋势。“我们一直深度参与汽车大批量生产，”Montrowl 说道，“我们的系统非常适合高度自动化的生产线。随着产量的增加，我们也看到电子行业从批量处理转向在线解决方案。我们的 Openair-Plasma 系统现在用于在线处理电路板，以确保保形涂层的正确附着力，从而实现选择性清洁和单件工作流程的灵活性。我们在航空航天业也看到了类似的趋势。”随着先进空中交通的成熟和 OEM 提高单通道喷气式客机的生产率，这里的制造商也在寻求新技术来帮助实现自动化生产线的更高产量。

“这就是我们未来看到的巨大增长点，”罗宾逊说。“我们正在研究许多其他在线应用，例如，我们有一种专门的喷射器，可以帮助制造太阳能电池时进行涂层处理。我们一直在寻找可以开发新应用的合作伙伴。许多行业都在寻求更高的性能，同时也希望提高流程效率和可持续性。我们的技术可以提供帮助。”