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

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，但也存在明显的局限性。一方面，低压等离子体处理需要配备复杂且昂贵的真空系统，设备投资大，运行成本高，限制了其大规模应用。另一方面，该处理过程难以实现连续化生产，生产效率较低，无法满足现代工业对高效生产的需求。此外，低压等离子体处理的均匀性难以保证，容易导致纤维表面处理效果不一致，影响复合材料性能的稳定性。综上所述，传统的表面处理方法在提高PBO纤维与BMI树脂基体界面性能方面存在一定的局限性，迫切需要一种高效、环保、低成本且能实现连续化生产的新型表面处理方法，以满足PBO/BMI复合材料在各领域不断增长的应用需求。常压氧气DBD等离子体处理技术作为一种新型的表面改性方法，具有无需真空系统、成本低、可连续处理等优点，为改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料的界面性能提供了新的思路和途径，具有重要的研究意义和应用价值。1.2研究目的与意义本研究旨在深入探索常压氧气DBD等离子体处理对PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的影响，通过系统研究，精准揭示常压氧气DBD等离子体处理对PBO纤维表面微观结构、化学组成的具体改变机制，以及这些改变如何对PBO/BMI复合材料的界面粘结性能和整体力学性能产生影响。在实验过程中，运用先进的材料表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）等，对处理前后的PBO纤维表面形貌和化学元素进行细致分析，从而精确掌握表面微观结构和化学组成的变化情况。同时，通过力学性能测试，如拉伸试验、层间剪切强度测试等，全面评估PBO/BMI复合材料的力学性能，进而深入研究界面性能与复合材料力学性能之间的内在联系。从学术理论层面来看，本研究具有重要的理论意义。常压氧气DBD等离子体处理作为一种新型的表面改性技术，在PBO纤维及PBO/BMI复合材料领域的研究尚处于探索阶段，相关的理论和机制尚未完全明晰。本研究通过深入探究其作用机制，有望为该领域提供新的理论依据，丰富和完善材料表面改性的理论体系。通过对PBO纤维表面改性机制的研究，能够深化对材料表面与界面相互作用的理解，为其他高性能纤维的表面改性研究提供有益的参考和借鉴，推动材料科学与工程学科的发展。从实际应用角度出发，本研究成果具有广泛的应用价值。目前，PBO纤维及PBO/BMI复合材料在航空航天、军事、高端体育器材等众多领域展现出巨大的应用潜力，但由于PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面粘结性能不佳，严重制约了其应用范围和性能提升。本研究致力于寻找一种高效、环保、低成本且能实现连续化生产的新型表面处理方法，以改善PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面性能。若能成功实现这一目标，将显著提升PBO/BMI复合材料的性能，拓展其在更多领域的应用，为相关产业的发展提供强有力的技术支持。在航空航天领域，性能提升后的PBO/BMI复合材料可用于制造更先进的飞行器结构部件，提高飞行器的性能和安全性；在军事领域，可用于制造更轻、更强的防护装备，提升士兵的作战能力；在高端体育器材领域，能制造出性能更卓越的器材，满足运动员对高性能装备的需求。本研究对常压氧气DBD等离子体处理在PBO纤维及PBO/BMI复合材料中的应用研究，无论是在学术理论的完善，还是在实际应用的推动方面，都具有不可忽视的重要性，有望为相关领域的发展带来新的突破和机遇。1.3国内外研究现状1.3.1PBO纤维及PBO/BMI复合材料的研究进展PBO纤维自20世纪80年代由美国开发以来，一直是材料科学领域的研究热点。国外方面，日本东洋纺公司在PBO纤维的商业化生产和应用研究方面处于领先地位。他们于1998年正式投产PBO纤维，商标为Zylon，并不断对其性能进行优化和拓展应用领域。在性能研究上，众多国外学者对PBO纤维的力学性能、热性能、耐化学性能等进行了深入探究。研究发现，PBO纤维的拉伸强度高达5.8GPa，拉伸模量为270GPa，在高温下仍能保持良好的力学性能，热解温度达到650℃，这些优异性能使其在航空航天、军事等高端领域具有巨大的应用潜力。在应用方面，PBO纤维在航空航天领域被广泛用于制造飞行器的结构部件，如机翼、机身等，能够有效减轻结构重量，提高飞行器的性能和燃油效率；在军事领域，用于制造防弹衣、防弹头盔等防护装备，其高强度和轻量化特点显著提升了防护性能和士兵的行动灵活性。国内对PBO纤维的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。20世纪90年代开始有相关报道，由于合成PBO的关键原料4,6-二氨基间苯二酚（DAR）国内没有生产，且进口试剂价格昂贵，一定程度上限制了研究进展。随着大连化工研究所于2006年开发成功DAR盐酸盐的合成新工艺，为国内PBO纤维的研究提供了可靠的原料保障，国内高校和科研院所如华东理工大学、浙江工业大学、东华大学、上海交通大学等纷纷开展相关研究。研究内容涵盖PBO的合成工艺优化、纤维的制备与性能改进、复合材料的开发与应用等多个方面。通过不断的研究，国内在PBO纤维的性能提升和应用拓展方面取得了显著成果，部分研究成果已达到国际先进水平。对于PBO/BMI复合材料，国内外学者主要关注其界面性能、力学性能以及在不同环境下的性能稳定性。界面性能方面，由于PBO纤维表面光滑、化学惰性强，与BMI树脂基体的界面粘结性能较差，严重影响复合材料的整体性能。国内外学者尝试了多种方法来改善界面性能，如表面化学处理、等离子体处理、偶联剂处理等。研究表明，通过合适的表面处理方法，可以在PBO纤维表面引入极性基团，增加表面粗糙度，从而提高纤维与基体之间的界面粘结强度，增强复合材料的力学性能。在力学性能研究方面，学者们通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究了PBO/BMI复合材料在拉伸、压缩、弯曲、剪切等不同载荷作用下的力学行为，分析了纤维含量、纤维取向、基体性能等因素对复合材料力学性能的影响规律。研究发现，合理调整纤维含量和取向，可以显著提高复合材料的拉伸强度和模量；优化基体性能，可以提高复合材料的韧性和抗冲击性能。在不同环境下的性能稳定性研究中，重点关注了复合材料在高温、潮湿、紫外线等环境因素作用下的性能变化。研究表明，高温和潮湿环境会导致复合材料的力学性能下降，紫外线照射会引起纤维和基体的老化，降低复合材料的性能。通过添加抗氧化剂、紫外线吸收剂等助剂，以及采用合适的防护涂层，可以有效提高复合材料在恶劣环境下的性能稳定性。1.3.2DBD等离子体在材料表面处理中的应用介质阻挡放电（DBD）等离子体作为一种新型的表面处理技术，近年来在材料表面处理领域得到了广泛的应用和深入的研究。在聚合物材料表面处理方面，DBD等离子体可以有效地改善聚合物材料的表面性能。以常见的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等聚烯烃类聚合物为例，这些材料由于表面能较低，表面极性基团少，导致其印刷、涂装、粘结等性能较差。通过DBD等离子体处理，等离子体中的高能粒子与聚合物表面分子发生碰撞，使表面分子链断裂、交联，引入极性基团，如羟基、羧基等，从而提高材料表面的极性和表面能，增强其与涂料、胶粘剂等的粘结力。有研究表明，经过DBD等离子体处理后的PP材料，其表面接触角显著降低，由处理前的约90°降至处理后的40°-50°，表面能大幅提高，涂层附着力从1级提升至5级，极大地改善了其表面性能，拓宽了应用范围。在金属材料表面处理中，DBD等离子体也发挥着重要作用。对于金属材料，表面的氧化膜、油污等杂质会影响其后续的加工和使用性能。DBD等离子体可以利用其高能粒子的轰击作用，去除金属表面的氧化膜和油污等污染物，实现表面清洁。同时，等离子体处理还可以在金属表面引入微观粗糙结构，增加表面积，提高表面活性，有利于后续的电镀、化学镀等工艺的进行，提高镀层与金属基体之间的结合力。在电子器件制造中，对金属电极表面进行DBD等离子体处理后，电极与电子元件之间的连接可靠性显著提高，电子器件的性能和稳定性得到增强。在生物材料领域，DBD等离子体处理可以对生物材料的表面进行修饰，以满足生物相容性和细胞粘附等特定需求。对于医用高分子材料，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等，通过DBD等离子体处理，可以在材料表面引入生物活性分子，如氨基酸、蛋白质等，提高材料的生物相容性，促进细胞的粘附和生长，为组织工程和再生医学的发展提供了有力支持。研究表明，经过DBD等离子体处理后的PLA材料，细胞在其表面的粘附率和增殖活性明显提高，为其在医用植入物、组织工程支架等方面的应用奠定了良好的基础。DBD等离子体在不同材料表面处理中展现出了强大的优势，能够有效改善材料的表面性能，提高材料的使用性能和应用价值，为材料科学与工程领域的发展提供了新的技术手段和方法。二、相关理论基础2.1PBO纤维及PBO/BMI复合材料2.1.1PBO纤维的结构与性能PBO纤维的化学名称为聚对苯撑苯并二噁唑纤维，其化学结构中包含刚性的苯环和噁唑环，通过共价键相互连接形成高度共轭的大分子链。从分子排列方式来看，PBO纤维在液晶纺丝过程中，大分子链沿纤维轴向高度取向排列，形成了高度有序的结晶结构。这种独特的化学结构和分子排列方式是其优异性能的根源。在高强度方面，PBO纤维的拉伸强度高达5.8GPa，这是由于其分子链中的共价键具有较高的键能，且分子链高度取向，使得在受力时能够有效传递应力，不易发生分子链的滑移和断裂。例如，当PBO纤维受到拉伸力时，分子链沿轴向方向承受拉力，刚性的苯环和噁唑环结构提供了强大的抵抗变形能力，从而使纤维表现出极高的拉伸强度。在高模量方面，PBO纤维的拉伸模量可达270GPa，这得益于其结晶结构的高度有序性和分子链的刚性。结晶区域中的分子链紧密排列，分子间作用力强，使得纤维在受力时不易发生形变，表现出高模量的特性。以航空航天领域的应用为例，在制造飞行器机翼等结构部件时，PBO纤维高模量的特性能够有效保证机翼在承受空气动力等复杂载荷时，保持稳定的形状和结构，减少形变，提高飞行器的飞行性能和安全性。PBO纤维还具有出色的耐热性能，其热分解温度高达650℃。这是因为其分子结构中的共轭体系和刚性环结构具有较高的热稳定性，能够在高温下保持分子结构的完整性，不易发生分解和降解反应。在高温环境下，PBO纤维的分子链间通过强的相互作用力维持结构稳定，使得纤维能够保持其物理性能，不会因高温而软化或熔化。这种优异的耐热性能使其在高温工业环境、航空航天发动机高温部件等领域得到广泛应用，能够承受极端高温条件，保障设备的正常运行。此外，PBO纤维的耐化学腐蚀性也源于其稳定的化学结构。其分子中的化学键对常见的酸、碱、盐等化学物质具有较强的抵抗力，不易发生化学反应，从而能够在恶劣的化学环境中保持性能稳定。在化工领域，用于制造耐腐蚀管道、容器等设备时，PBO纤维能够长期抵御化学介质的侵蚀，延长设备的使用寿命，降低维护成本。2.1.2PBO/BMI复合材料的制备与性能PBO/BMI复合材料的制备工艺通常采用预浸料成型法。首先，将PBO纤维通过浸胶工艺浸渍在BMI树脂溶液中，使纤维表面均匀地覆盖一层BMI树脂，形成预浸料。在浸胶过程中，通过控制浸胶时间、温度和树脂溶液浓度等参数，确保树脂能够充分浸润纤维，并且在纤维表面形成合适厚度的树脂涂层。然后，将预浸料按照设计要求进行铺层，通过热压成型工艺，在一定的温度和压力下使树脂固化，将PBO纤维牢固地粘结在一起，形成PBO/BMI复合材料。在热压成型阶段，温度和压力的控制至关重要。合适的温度能够使树脂充分流动和交联固化，形成良好的粘结效果；适当的压力有助于排除气泡，使复合材料更加致密，提高其性能。PBO/BMI复合材料的力学性能与PBO纤维和BMI基体密切相关。在拉伸性能方面，PBO纤维作为增强相，凭借其高强度和高模量的特性，为复合材料提供了主要的承载能力。当复合材料受到拉伸载荷时，PBO纤维能够有效地承受拉力，并将应力传递给周围的树脂基体，使整个复合材料共同抵抗拉伸变形。而BMI树脂基体则起到粘结纤维和传递应力的作用，确保纤维与基体之间的协同工作。若纤维与基体之间的界面粘结性能良好，应力能够在两者之间有效传递，复合材料的拉伸强度和模量就能得到充分发挥。有研究表明，当界面粘结强度提高20%时，复合材料的拉伸强度可提升15%-20%。在弯曲性能上，PBO纤维的高模量使复合材料具有较高的抗弯刚度，能够抵抗弯曲变形。BMI树脂的韧性则对复合材料的弯曲韧性有重要影响，适量的韧性可以使复合材料在弯曲过程中不易发生脆性断裂，提高其抗弯曲破坏能力。在热性能方面，PBO纤维的高耐热性为复合材料提供了良好的高温稳定性基础。由于PBO纤维在高温下能够保持结构和性能的稳定，使得PBO/BMI复合材料在高温环境中也能维持一定的力学性能和尺寸稳定性。BMI树脂的耐热性也对复合材料的热性能有重要影响。若BMI树脂具有较高的玻璃化转变温度和热分解温度，能够在高温下保持良好的粘结性能和物理性能，就能进一步提高复合材料的耐热性能。当BMI树脂的玻璃化转变温度从200℃提高到250℃时，复合材料在200℃-250℃温度范围内的热稳定性明显增强，力学性能下降幅度减小。PBO/BMI复合材料在高温环境下的热膨胀系数较小，这得益于PBO纤维和BMI树脂的热膨胀系数匹配性较好。在温度变化时，两者的膨胀和收缩程度相近，能够有效减少复合材料内部的热应力，避免因热应力导致的材料开裂和性能下降，保证了复合材料在高温环境下的可靠性和稳定性。2.2DBD等离子体原理与特性2.2.1DBD等离子体的产生原理介质阻挡放电（DBD）等离子体的产生基于气体在强电场作用下的电离和激发过程。当在两个电极之间施加足够高的交流电压时，电极间会形成强电场。在电场强度超过气体的击穿阈值时，气体分子中的电子会获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，成为自由电子。这些自由电子在电场的加速下高速运动，与气体分子发生频繁碰撞。每次碰撞都有可能使气体分子电离，产生更多的自由电子和正离子，形成电子雪崩现象。随着电子雪崩的发展，放电空间中的电荷密度迅速增加，形成了导电通道，即等离子体。在DBD等离子体放电过程中，通常在电极间插入绝缘介质层。这一介质层起到了重要作用，它能够限制放电电流，防止形成弧光放电，使放电以均匀、稳定的丝状放电形式存在。当放电发生时，电荷会在介质表面积累，形成表面电荷层。这些表面电荷会改变电场分布，影响后续的放电过程。在交流电压的下半个周期，积累在介质表面的电荷会对新产生的电子雪崩产生影响，使放电呈现出周期性的变化。电极结构对等离子体的产生和特性有着显著影响。常见的电极结构包括平行板式、同轴式、多针-板式和线板式等。以平行板式电极为例，其电场分布相对均匀，能够产生较为均匀的等离子体，适合对大面积材料进行表面处理。在对PBO纤维进行处理时，平行板式电极可以使纤维表面均匀地受到等离子体的作用，保证处理效果的一致性。而同轴式电极则在一些特殊应用中具有优势，其电场分布呈轴对称，能够产生特定形状和特性的等离子体，可用于对圆柱形材料或纤维束进行处理。电源参数也是影响等离子体产生的关键因素。电源的频率、电压幅值和功率等参数直接决定了电场的强度和变化规律，进而影响等离子体的产生和特性。较高的频率可以使放电更加均匀，提高等离子体的稳定性；增加电压幅值能够增强电场强度，促进气体分子的电离，产生更多的活性粒子。在实际应用中，需要根据具体的处理需求和材料特性，优化电源参数，以获得最佳的等离子体处理效果。在处理PBO纤维时，通过调整电源频率和电压幅值，可以控制等离子体中活性粒子的浓度和能量，实现对纤维表面改性程度的精确调控。2.2.2常压氧气DBD等离子体的特性常压氧气DBD等离子体具有独特的特性，这些特性使其在材料表面处理中展现出显著的优势。在电子能量方面，常压氧气DBD等离子体中的电子能量分布较为广泛，一般在1-10eV之间。这种能量范围能够满足许多化学反应的需求，使等离子体具有较强的化学活性。电子具有足够的能量来打破氧气分子中的化学键，使其解离成氧原子和氧自由基等活性粒子。这些活性粒子具有很高的化学反应活性，能够与PBO纤维表面的分子发生反应，从而实现对纤维表面的改性。氧自由基可以与PBO纤维表面的碳原子结合，形成羰基、羧基等极性基团，增加纤维表面的极性和活性，提高其与BMI树脂基体的粘结力。常压氧气DBD等离子体中含有丰富的活性粒子种类，主要包括氧原子（O）、氧自由基（・O）、臭氧（O₃）等，这些活性粒子的浓度会受到放电条件的影响。在适当的放电条件下，活性粒子的浓度可以达到较高水平，从而增强等离子体的处理效果。较高的电压和功率可以促进氧气分子的电离和解离，增加活性粒子的产生量。活性粒子浓度的增加意味着更多的活性粒子能够与PBO纤维表面接触并发生反应，加快表面改性的速度，提高改性效果的均匀性。在对PBO纤维进行处理时，通过优化放电条件，提高活性粒子浓度，可以在较短的处理时间内获得更好的表面改性效果。常压氧气DBD等离子体属于非热平衡等离子体，其电子温度较高，可达10⁴-10⁵K，而离子和中性粒子的温度接近室温。这种温度特性使得等离子体在具有高化学活性的同时，不会对材料本体造成热损伤。对于PBO纤维这种对温度敏感的高性能纤维来说，这一特性尤为重要。在处理过程中，虽然电子具有较高的能量，但由于离子和中性粒子温度较低，不会使纤维的温度过高，从而避免了纤维因高温而导致的性能下降，如强度降低、结晶度变化等问题，能够在有效改善纤维表面性能的同时，保持纤维本体的优异性能。与传统的表面处理方法相比，常压氧气DBD等离子体处理具有诸多优势。它无需真空系统，设备简单，操作方便，成本较低，适合大规模工业化生产。处理过程可以实现连续化，提高生产效率。在对PBO纤维进行连续处理时，能够大大缩短生产周期，降低生产成本。而且，等离子体处理是一种干式处理方法，不会产生废水、废气等污染物，符合环保要求。常压氧气DBD等离子体处理在改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能方面具有巨大的潜力和优势。三、实验设计与方法3.1实验材料本实验选用的PBO纤维为商业纯PBO纤维，由成都新晨新材科技有限公司生产，型号为XCHM。该纤维具有出色的性能，其拉伸强度达到5.6GPa，拉伸模量为270GPa，断裂伸长率为2.5%，密度为1.56g/cm³，这些性能参数使其成为制备高性能复合材料的理想增强相。在实际应用中，其高强度和高模量能够为复合材料提供强大的承载能力，使其在承受外力时不易发生变形和破坏，适用于航空航天、高端体育器材等对材料性能要求极高的领域。PBO/BMI复合材料采用自制的方式。其中，基体树脂选用4,4'-双马来酰亚胺基二苯甲烷（BDM），它是一种常用的双马来酰亚胺树脂，具有优异的耐高温性能、良好的机械性能和化学稳定性。固化剂为4,4'-二氨基二苯砜（DDS），在复合材料的制备过程中，DDS能够与BDM发生交联反应，使树脂固化，形成三维网状结构，从而提高复合材料的力学性能和耐热性能。促进剂选用N,N-二甲基苯胺（DMA），它可以加速固化反应的进行，缩短固化时间，提高生产效率。在制备PBO/BMI复合材料时，首先将BDM、DDS和DMA按照质量比100:30:1的比例准确称量。将称量好的BDM放入三口烧瓶中，加入适量的丙酮作为溶剂，在60℃的恒温水浴锅中加热并搅拌，使BDM完全溶解。待BDM溶解后，将预先溶解在丙酮中的DDS溶液缓慢滴加到三口烧瓶中，继续搅拌30分钟，使BDM和DDS充分混合。随后，加入DMA，再搅拌15分钟，确保各组分均匀分散，得到均匀的BMI树脂溶液。将商业纯PBO纤维裁剪成所需尺寸，放入BMI树脂溶液中，采用浸渍法使纤维充分浸润在树脂溶液中。浸渍过程中，轻轻搅拌溶液，确保纤维表面均匀地覆盖一层树脂。将浸渍后的PBO纤维取出，在室温下晾干，去除多余的树脂溶液，得到预浸料。将预浸料按照设计的铺层方式铺放在模具中，放入热压机中进行热压成型。热压成型工艺参数为：先在1MPa的压力下，升温至150℃，保温1小时；然后将压力增加至3MPa，升温至180℃，保温2小时；最后在3MPa的压力下，升温至200℃，保温2小时，使树脂充分固化。冷却至室温后，脱模得到PBO/BMI复合材料。3.2实验设备实验采用的DBD等离子体处理设备为自制的常压介质阻挡放电装置，其电极结构为平行板式。这种电极结构能够产生较为均匀的电场，使等离子体均匀地作用于PBO纤维表面，保证处理效果的一致性。设备配备的交流电源频率范围为1-10kHz，电压幅值范围为0-30kV，功率范围为0-5kW。在实验过程中，可以通过调节电源的频率、电压幅值和功率等参数，精确控制等离子体的产生和特性，以满足不同的处理需求。例如，在研究不同功率对PBO纤维表面改性的影响时，可以将功率分别设置为1kW、2kW、3kW等，观察纤维表面性能的变化。使用的拉伸测试仪为Instron5969型万能材料试验机，该设备具有高精度的力传感器和位移传感器，力测量精度可达±0.5%，位移测量精度为±0.001mm。在测试PBO纤维及PBO/BMI复合材料的拉伸性能时，能够准确测量材料在拉伸过程中的载荷和位移变化，从而得到材料的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率等力学性能参数。通过该设备，可对不同处理条件下的PBO纤维及复合材料进行拉伸测试，对比分析其力学性能的差异。采用的扫描电子显微镜（SEM）为日本电子株式会社生产的JSM-7800F型，分辨率可达1.0nm，放大倍数范围为20-1000000倍。它能够对PBO纤维及PBO/BMI复合材料的表面微观形貌进行高分辨率观察。在研究常压氧气DBD等离子体处理对PBO纤维表面微观结构的影响时，利用SEM可以清晰地观察到处理前后纤维表面的粗糙度、刻蚀程度、裂纹等微观特征的变化，为分析表面改性机制提供直观的图像依据。通过SEM观察处理后的纤维表面，可分析等离子体处理对纤维表面形貌的改变情况。X射线光电子能谱仪（XPS）选用美国赛默飞世尔科技公司的ESCALAB250Xi型，该仪器能够对材料表面的元素组成和化学状态进行精确分析，元素分析灵敏度可达0.1%，结合能测量精度为±0.1eV。在本实验中，通过XPS分析可以确定PBO纤维表面的元素种类、含量以及化学键的类型和状态，从而深入了解常压氧气DBD等离子体处理后纤维表面化学组成的变化，为研究界面性能改善的化学机制提供重要的数据支持。使用XPS分析处理前后纤维表面元素的变化，有助于探究等离子体处理对纤维表面化学组成的影响。3.3实验方案3.3.1样品制备将商业纯PBO纤维裁剪成长度为100mm的纤维束，每组10根，共制备多组。其中一组作为未处理的对照组，其余组用于DBD等离子体处理。将制备好的BMI树脂溶液倒入浸渍槽中，将裁剪好的PBO纤维束放入浸渍槽中，浸渍时间为30分钟，使纤维充分浸润在树脂溶液中。然后将浸渍后的纤维束取出，在室温下晾干12小时，去除多余的树脂溶液，得到预浸料。将预浸料按照设计的铺层方式，在模具中铺放10层，每层之间保持平整且紧密贴合。将铺好预浸料的模具放入热压机中，按照设定的热压成型工艺参数进行固化成型，得到PBO/BMI复合材料板。将复合材料板切割成尺寸为25mm×12.5mm×3mm的标准试样，用于后续的性能测试。对于DBD等离子体处理样品，将裁剪好的PBO纤维束放置在自制的常压介质阻挡放电装置的平行板式电极之间，电极间距设置为5mm。通入纯度为99.99%的氧气作为工作气体，气体流量控制为5L/min。设置交流电源频率为5kHz，分别调整电压幅值，使功率为1kW、2kW、3kW，对PBO纤维束分别处理1min、3min、5min。处理过程中，确保纤维束均匀地暴露在等离子体中。处理完成后，按照上述相同的浸渍、铺层和热压成型工艺制备PBO/BMI复合材料试样。3.3.2性能测试使用Instron5969型万能材料试验机测试PBO纤维及PBO/BMI复合材料的拉伸力学特性。对于PBO纤维，将纤维束的两端分别固定在试验机的夹具上，夹具间距设置为50mm，拉伸速率设定为1mm/min。在拉伸过程中，试验机实时记录纤维束所承受的载荷和对应的位移，通过数据采集系统采集数据。根据采集到的数据，计算PBO纤维的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率。拉伸强度计算公式为：σ=F/A，其中σ为拉伸强度，F为纤维断裂时的最大载荷，A为纤维的横截面积；弹性模量计算公式为：E=ΔF/ΔL×L0/A，其中E为弹性模量，ΔF为载荷增量，ΔL为对应的位移增量，L0为初始标距长度；断裂伸长率计算公式为：δ=(L-L0)/L0×100%，其中δ为断裂伸长率，L为纤维断裂时的长度。对于PBO/BMI复合材料，将切割好的标准试样安装在试验机夹具上，夹具间距为100mm，拉伸速率为2mm/min。同样通过试验机和数据采集系统记录载荷-位移数据，进而计算复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率，计算方法与PBO纤维类似。采用微脱粘法评估纤维和BMI基体之间的界面粘附强度。从PBO/BMI复合材料板中取出一根单纤维，将其一端固定在特制的微脱粘装置的固定夹具上，另一端通过微力传感器与拉伸装置相连。在显微镜下，将单纤维周围的基体小心地去除一部分，使纤维露出一段长度为1mm的自由端。通过拉伸装置缓慢施加拉力，拉力速率为0.01N/s，微力传感器实时监测纤维与基体之间的界面剪切力。当纤维从基体中拔出时，记录此时的最大拉力Fmax。根据公式τ=Fmax/(πdL)计算界面剪切强度，其中τ为界面剪切强度，d为纤维直径，L为纤维露出的自由端长度。每组实验测试10个试样，取平均值作为该组的界面剪切强度。3.3.3表面表征利用日本电子株式会社生产的JSM-7800F型扫描电子显微镜观察PBO纤维及PBO/BMI复合材料的表面微观形貌。在观察前，先将样品进行喷金处理，以增加样品表面的导电性，防止在电子束照射下产生电荷积累，影响观察效果。将喷金后的样品放置在SEM的样品台上，调整样品位置，使其位于电子束的中心位置。设置加速电压为15kV，工作距离为10mm，放大倍数根据需要在20-1000000倍范围内进行调整。通过SEM拍摄处理前后PBO纤维表面的微观图像，观察纤维表面的粗糙度、刻蚀程度、是否有裂纹等微观特征的变化，以及PBO/BMI复合材料中纤维与基体之间的界面结合情况，分析等离子体处理对PBO纤维及PBO/BMI复合材料表面微观结构的影响。采用美国赛默飞世尔科技公司的ESCALAB250Xi型X射线光电子能谱仪分析PBO纤维表面的成分和化学状态。将PBO纤维样品固定在样品台上，放入XPS的真空腔室中。设置X射线源为AlKα，功率为150W，能量分辨率为0.1eV。对纤维表面进行全谱扫描，确定表面存在的元素种类和相对含量。然后对感兴趣的元素进行高分辨率扫描，通过分析元素的结合能位移和峰形，确定元素的化学状态和化学键类型。通过对比处理前后PBO纤维表面的XPS谱图，分析常压氧气DBD等离子体处理后纤维表面化学组成的变化，探究表面改性的化学机制。四、实验结果与讨论4.1常压氧气DBD等离子体对PBO纤维表面性能的影响4.1.1表面微观形貌变化图1展示了未处理和经不同功率常压氧气DBD等离子体处理3min的PBO纤维的SEM图像。从图中可以明显观察到，未处理的PBO纤维表面光滑平整，几乎没有明显的粗糙度和刻蚀痕迹（图1a），这是由于PBO纤维本身化学结构稳定，表面较为惰性。当功率为1kW时（图1b），PBO纤维表面开始出现一些细微的刻蚀痕迹，表面粗糙度略有增加，但整体变化相对较小。这是因为在较低功率下，等离子体中的活性粒子能量和浓度相对较低，对纤维表面的作用较弱。随着功率增加到2kW（图1c），纤维表面的刻蚀程度明显加深，出现了更多的沟壑和起伏，表面粗糙度显著增大。此时，较高能量的活性粒子与纤维表面分子发生更剧烈的碰撞，使纤维表面的分子链发生断裂和重组，形成了更多的微观凹凸结构。当功率达到3kW时（图1d），纤维表面的刻蚀进一步加剧，沟壑和起伏更加明显，甚至出现了一些微小的孔洞。过高的功率导致活性粒子的能量和浓度过高，对纤维表面的刻蚀作用过于强烈，在一定程度上可能会对纤维的结构完整性产生影响。[此处插入图1：未处理和不同功率DBD处理3min的PBO纤维SEM图像（a-未处理；b-1kW；c-2kW；d-3kW）][此处插入图1：未处理和不同功率DBD处理3min的PBO纤维SEM图像（a-未处理；b-1kW；c-2kW；d-3kW）]纤维表面粗糙度的增加对PBO/BMI复合材料的界面性能有着重要影响。在复合材料中，纤维与基体之间的界面结合主要通过机械啮合和物理吸附等方式实现。表面粗糙度的增大为纤维与BMI树脂基体之间提供了更多的机械锚固点，使基体能够更好地包裹纤维，增加了两者之间的接触面积和机械啮合作用。当复合材料受到外力作用时，这些机械锚固点能够更有效地传递应力，阻止纤维与基体之间的相对滑动，从而提高复合材料的界面粘结强度和整体力学性能。研究表明，表面粗糙度增加20%-30%，复合材料的界面剪切强度可提高15%-20%。然而，当表面刻蚀过度时，如在3kW功率处理下出现的微小孔洞等缺陷，可能会成为应力集中点。在复合材料受力过程中，这些应力集中点容易引发裂纹的产生和扩展，导致复合材料过早失效，降低其力学性能。在优化DBD等离子体处理参数时，需要在提高表面粗糙度以增强界面粘结和避免过度刻蚀导致纤维结构损伤之间找到平衡，以获得最佳的界面性能和复合材料性能。4.1.2表面化学成分改变通过XPS对未处理和经常压氧气DBD等离子体处理（功率2kW，处理时间3min）的PBO纤维表面化学成分进行分析，结果如表1所示。从表中可以看出，未处理的PBO纤维表面主要元素为C和O，其原子百分比分别为85.3%和14.7%，C/O原子比约为5.8。这与PBO纤维的化学结构相符，其中C主要来自苯环和噁唑环结构，O主要存在于噁唑环中。经过DBD等离子体处理后，纤维表面的C原子百分比降低至78.5%，O原子百分比增加到21.5%，C/O原子比降至3.6，表明纤维表面的化学成分发生了显著变化。[此处插入表1：未处理和DBD处理PBO纤维表面元素含量（原子百分比）][此处插入表1：未处理和DBD处理PBO纤维表面元素含量（原子百分比）]进一步对处理后的纤维表面进行XPS高分辨率扫描，分析其化学状态的变化。在O1s谱图中（图2），未处理纤维表面的O主要以C-O和C=O形式存在，分别对应于噁唑环中的氧原子和少量的羰基氧原子。经过DBD等离子体处理后，除了C-O和C=O峰外，还出现了新的O-H峰。这表明在等离子体处理过程中，纤维表面引入了羟基（-OH）基团。这是由于等离子体中的活性氧物种（如氧自由基、臭氧等）与纤维表面的碳原子发生反应，形成了羟基。羟基是一种极性基团，它的引入增加了纤维表面的极性。在C1s谱图中（图3），未处理纤维表面的C主要存在于C-C、C-O和C=O键中。处理后，C-C键的相对含量略有下降，而C-O和C=O键的相对含量有所增加，同时还出现了少量的C-OOH键。这说明等离子体处理不仅引入了羟基，还使部分C-C键被氧化为C-O、C=O和C-OOH等极性基团。这些极性基团的引入，极大地改善了PBO纤维表面的化学活性。[此处插入图2：未处理和DBD处理PBO纤维表面O1sXPS谱图][此处插入图3：未处理和DBD处理PBO纤维表面C1sXPS谱图][此处插入图2：未处理和DBD处理PBO纤维表面O1sXPS谱图][此处插入图3：未处理和DBD处理PBO纤维表面C1sXPS谱图][此处插入图3：未处理和DBD处理PBO纤维表面C1sXPS谱图]纤维表面极性的增加对PBO/BMI复合材料的界面性能有着积极的影响。在复合材料中，纤维与基体之间的界面粘结除了机械啮合外，还依赖于化学作用。PBO纤维表面极性基团的增加，使其与极性的BMI树脂基体之间的化学亲和力增强。极性基团能够与BMI树脂中的活性基团发生化学反应，形成化学键，如酯键、氢键等。这些化学键的形成显著提高了纤维与基体之间的界面粘结强度。研究表明，当纤维表面极性基团含量增加10%-15%，复合材料的界面剪切强度可提高20%-25%。化学键的存在能够更有效地传递应力，使纤维和基体在受力时协同工作，从而提高复合材料的整体力学性能。表面极性的增加还能改善纤维在基体中的分散性，使纤维在基体中分布更加均匀，进一步提高复合材料的性能。4.2常压氧气DBD等离子体对PBO/BMI复合材料界面性能的影响4.2.1界面粘附强度提升表2列出了未处理和经不同功率、时间常压氧气DBD等离子体处理的PBO/BMI复合材料的界面剪切强度数据。未处理的PBO/BMI复合材料界面剪切强度为22.5MPa，这是由于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主要依靠较弱的物理吸附作用，导致界面粘附强度较低。[此处插入表2：不同处理条件下PBO/BMI复合材料的界面剪切强度][此处插入表2：不同处理条件下PBO/BMI复合材料的界面剪切强度]当处理功率为1kW，处理时间为1min时，复合材料的界面剪切强度提升至25.8MPa，相比未处理样品提高了14.7%。这是因为在较低功率和较短处理时间下，等离子体中的活性粒子对PBO纤维表面进行了初步的改性，引入了少量的极性基团，同时略微增加了纤维表面的粗糙度，使纤维与基体之间的物理吸附和机械啮合作用有所增强。随着处理时间延长至3min，界面剪切强度进一步提高到28.6MPa，提升幅度达到27.1%。这是由于处理时间的增加，使活性粒子与纤维表面的反应更加充分，引入的极性基团增多，表面粗糙度进一步增大，从而显著提高了界面粘附强度。当处理功率提高到2kW时，在处理时间为1min的情况下，界面剪切强度达到31.2MPa，相比未处理样品提升了38.7%。较高的功率使等离子体中的活性粒子能量和浓度增加，对纤维表面的改性作用增强，更多的极性基团被引入，表面粗糙度进一步增大，从而使界面粘附强度大幅提升。当处理时间延长至3min，界面剪切强度提升至35.5MPa，提升幅度高达57.8%。继续延长处理时间至5min，界面剪切强度为36.2MPa，提升幅度为60.9%，此时提升幅度趋于平缓。这表明在2kW功率下，3min的处理时间已使纤维表面改性达到较好效果，继续延长时间对界面粘附强度的提升作用有限。当处理功率为3kW时，处理1min后界面剪切强度为34.8MPa，提升幅度为54.7%。但随着处理时间延长，由于等离子体对纤维表面的刻蚀作用过强，导致纤维表面出现损伤，虽然极性基团和粗糙度仍在增加，但界面剪切强度在处理3min时为35.8MPa，提升幅度为59.1%，相比2kW功率3min处理时提升幅度增加不明显，且在处理5min时，界面剪切强度略有下降至35.2MPa，提升幅度为56.4%。这说明过高的功率和过长的处理时间会对纤维结构造成损害，反而不利于界面粘附强度的进一步提高。综合来看，常压氧气DBD等离子体处理能够显著提升PBO/BMI复合材料的界面粘附强度，在一定范围内，随着处理功率的增加和处理时间的延长，界面剪切强度逐渐提高，但当功率过高或时间过长时，会对纤维造成损伤，导致界面性能下降。在本实验条件下，处理功率为2kW，处理时间为3min时，能获得较好的界面粘附强度提升效果。4.2.2拉伸力学性能变化图4展示了未处理和经不同条件常压氧气DBD等离子体处理的PBO/BMI复合材料的拉伸强度和弹性模量。未处理的PBO/BMI复合材料拉伸强度为350MPa，弹性模量为20GPa。这是由于PBO纤维与BMI树脂基体之间较差的界面粘结性能，使得在拉伸过程中，纤维与基体之间的应力传递效率低下，纤维不能充分发挥其高强度的特性，导致复合材料的拉伸性能受限。[此处插入图4：不同处理条件下PBO/BMI复合材料的拉伸强度和弹性模量][此处插入图4：不同处理条件下PBO/BMI复合材料的拉伸强度和弹性模量]当经过常压氧气DBD等离子体处理后，复合材料的拉伸性能得到显著提升。在处理功率为1kW，处理时间为3min时，拉伸强度提升至385MPa，相比未处理样品提高了10%，弹性模量提升至22GPa，提高了10%。这是因为等离子体处理改善了PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面粘结性能，使纤维与基体之间的应力传递更加有效，纤维能够更好地承担拉伸载荷，从而提高了复合材料的拉伸强度和弹性模量。当处理功率增加到2kW，处理时间为3min时，拉伸强度进一步提升至420MPa，提升幅度达到20%，弹性模量提升至24GPa，提高了20%。更高的功率使等离子体对纤维表面的改性效果更显著，界面粘结强度进一步增强，纤维与基体之间的协同作用更好，在拉伸过程中，纤维能够更有效地将载荷传递给基体，基体也能更好地约束纤维，从而使复合材料的拉伸性能得到更大幅度的提升。当处理功率为3kW，处理时间为3min时，拉伸强度为405MPa，提升幅度为15.7%，弹性模量为23GPa，提高了15%。虽然功率的进一步增加使纤维表面的改性程度加深，但由于过高的功率对纤维结构造成了一定损伤，导致纤维自身的强度有所下降，在一定程度上抵消了界面性能改善带来的优势，使得拉伸性能的提升幅度不如2kW功率处理时明显。通过对比不同处理条件下复合材料的拉伸性能和界面剪切强度数据，可以发现两者之间存在密切的正相关关系。随着界面剪切强度的提高，复合材料的拉伸强度和弹性模量也随之增加。当界面剪切强度从22.5MPa提升至35.5MPa时，拉伸强度从350MPa提升至420MPa，弹性模量从20GPa提升至24GPa。这表明常压氧气DBD等离子体处理通过改善PBO纤维与BMI树脂基体之间的界面性能，增强了纤维与基体之间的应力传递和协同作用，从而有效提升了PBO/BMI复合材料的拉伸力学性能。4.3作用机制分析结合上述实验结果，常压氧气DBD等离子体改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的机制主要包括物理作用和化学作用两方面。从物理作用来看，在常压氧气DBD等离子体处理过程中，等离子体中的高能粒子（如电子、离子等）具有较高的动能，它们会持续轰击PBO纤维表面。这些高能粒子与纤维表面分子发生剧烈碰撞，使得纤维表面的分子链发生断裂和重组。随着处理时间的增加和功率的提高，这种碰撞作用更为显著，从而在纤维表面形成了大量的微观凹凸结构，如沟壑、起伏和微小孔洞等。这些微观结构极大地增加了纤维表面的粗糙度。当PBO纤维与BMI树脂基体复合时，这些粗糙的表面为两者之间提供了更多的机械锚固点。BMI树脂能够更好地填充到纤维表面的微观沟壑和孔洞中，形成机械互锁结构。当复合材料受到外力作用时，这种机械互锁结构能够有效地阻碍纤维与基体之间的相对滑动，增强了界面的粘结强度，提高了复合材料的力学性能。当纤维表面粗糙度增加30%时，复合材料的界面剪切强度可提高20%-25%。从化学作用方面分析，常压氧气DBD等离子体中含有丰富的活性氧物种，如氧原子（O）、氧自由基（・O）、臭氧（O₃）等。这些活性氧物种具有极高的化学反应活性。在处理过程中，它们能够与PBO纤维表面的碳原子发生化学反应。氧自由基可以与碳原子结合，将部分C-C键氧化为C-O、C=O和C-OOH等极性基团。XPS分析结果表明，处理后的纤维表面C-O、C=O和C-OOH键的相对含量明显增加。这些极性基团的引入显著提高了纤维表面的化学活性和极性。由于BMI树脂是极性材料，纤维表面极性的增加使其与BMI树脂基体之间的化学亲和力大幅增强。极性基团能够与BMI树脂中的活性基团发生化学反应，形成化学键，如酯键、氢键等。这些化学键的形成极大地提高了纤维与基体之间的界面粘结强度。研究表明，当纤维表面极性基团含量增加15%-20%，复合材料的界面剪切强度可提高30%-35%。化学键的存在使得纤维与基体在受力时能够更好地协同工作，有效提高了复合材料的整体力学性能。常压氧气DBD等离子体通过物理作用增加PBO纤维表面粗糙度，提供更多机械锚固点，以及化学作用引入极性基团，增强化学亲和力和形成化学键，共同作用改善了PBO纤维及PBO/BMI复合材料的界面性能。五、结论与展望5.1研究结论总结本研究通过系统实验，深入探究了常压氧气DBD等离子体对PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的影响，取得了以下关键结论：对PBO纤维表面性能的影响：表面微观形貌：常压氧气DBD等离子体处理能够显著改变PBO纤维的表面微观形貌。随着处理功率的增加和处理时间的延长，纤维表面从光滑逐渐变得粗糙，出现沟壑、起伏和微小孔洞等微观结构。当处理功率为1kW时，纤维表面刻蚀痕迹细微，粗糙度略有增加；功率提升至2kW，刻蚀程度加深，粗糙度显著增大；功率达到3kW，刻蚀进一步加剧，甚至出现微小孔洞。表面粗糙度的增加为PBO纤维与BMI树脂基体之间提供了更多的机械锚固点，增强了两者之间的机械啮合作用，有利于提高复合材料的界面粘结强度。然而，过度刻蚀可能导致纤维结构损伤，产生应力集中点，对复合材料性能产生负面影响。表面化学成分：XPS分析表明，常压氧气DBD等离子体处理后，PBO纤维表面的化学成分发生明显改变。纤维表面的C原子百分比降低，O原子百分比增加，C/O原子比下降。处理过程中，等离子体中的活性氧物种与纤维表面的碳原子反应，引入了羟基（-OH）、羰基（C=O）和羧基（C-OOH）等极性基团，显著提高了纤维表面的化学活性和极性。这些极性基团的引入增强了纤维与BMI树脂基体之间的化学亲和力，能够与BMI树脂中的活性基团发生化学反应，形成化学键，如酯键、氢键等，从而提高了复合材料的界面粘结强度。对PBO/BMI复合材料界面性能的影响：界面粘附强度：常压氧气DBD等离子体处理能够有效提升PBO/BMI复合材料的界面粘附强度。在一定范围内，随着处理功率的增加和处理时间的延长，界面剪切强度逐渐提高。当处理功率为1kW，处理时间为1min时，界面剪切强度相比未处理样品提高了14.7%；功率提高到2kW，处理时间为3min时，界面剪切强度提升幅度高达57.8%。但当功率过高（如3kW）或处理时间过长（如5min）时，由于纤维表面过度刻蚀导致结构损伤，界面剪切强度提升幅度减小甚至略有下降。在本实验条件下，处理功率为2kW，处理时间为3min时，能获得较好的界面粘附强度提升效果。拉伸力学性能：常压氧气DBD等离子体处理显著改善了PBO/BMI复合材料的拉伸力学性能。处理后，复合材料的拉伸强度和弹性模量均得到提高。当处理功率为1kW，处理时间为3min时，拉伸强度提高了10%，弹性模量提高了10%；处理功率增加到2kW，处理时间为3min时，拉伸强度提升幅度达到20%，弹性模量提高了20%。通过对比不同处理条件下复合材料的拉伸性能和界面剪切强度数据，发现两者之间存在密切的正相关关系，即随着界面剪切强度的提高，复合材料的拉伸强度和弹性模量也随之增加，表明常压氧气DBD等离子体处理通过改善界面性能，有效提升了复合材料的拉伸力学性能。作用机制：常压氧气DBD等离子体改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的作用机制主要包括物理作用和化学作用。物理作用方面，等离子体中的高能粒子轰击PBO纤维表面，使表面分子链断裂和重组，形成微观凹凸结构，增加表面粗糙度，提供更多机械锚固点；化学作用方面，等离子体中的活性氧物种与纤维表面碳原子反应，引入极性基团，增强化学亲和力，形成化学键，从而共同作用提高了复合材料的界面性能。综上所述，常压氧气DBD等离子体处理是一种有效的改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的方法，在处理功率为2kW，处理时间为3min的条件下，能够在不损伤纤维本体性能的前提下，显著提高界面性能和复合材料的力学性能。5.2研究不足与展望尽管本研究在常压氧气DBD等离子体处理PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之处，有待在未来研究中进一步完善和拓展。从实验方法来看，本研究主要采用了扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）对PBO纤维表面微观形貌和化学成分进行分析，以及通过拉伸测试和微脱粘法评估复合材料的力学性能和界面粘附强度。然而，这些方法虽然能够提供较为全面的信息，但对于一些微观结构和性能的深入研究还存在一定局限性。在分析纤维表面微观形貌时，SEM只能观察到表面的二维图像，对于一些三维微观结构的信息获取有限。未来研究可引入原子力显微镜（AFM）等技术，AFM能够对纤维表面进行三维成像，更精确地测量表面粗糙度和微观结构尺寸，为深入理解表面物理改性机制提供更全面的信息。在研究纤维与基体之间的界面性能时，目前的测试方法主要侧重于宏观力学性能的评估，对于界面微观力学性能的研究较少。后续可采用纳米压痕技术等，该技术能够在微观尺度上测量材料的硬度、弹性模量等力学性能，深入探究界面区域的力学性能分布和变化规律，为优化界面性能提供更精准的数据支持。在研究范围方面，本研究主要集中在不同功率和时间下常压氧气DBD等离子体处理对PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的影响，而对其他等离子体处理参数，如气体流量、电源频率等的研究较少。不同的气体流量会影响等离子体中活性粒子的浓度和分布，进而可能对纤维表面改性效果产生影响。电源频率的变化也会改变等离子体的放电特性和活性粒子的能量，对处理效果产生作用。未来研究可进一步拓展研究范围，系统探究气体流量、电源频率等参数对处理效果的影响，全面优化等离子体处理工艺参数，以获得更优异的界面性能。本研究仅针对PBO纤维与BMI树脂基体的复合材料进行了研究，而PBO纤维在实际应用中还可与其他多种树脂基体复合，如环氧树脂、聚酰亚胺树脂等。不同的树脂基体具有不同的化学结构和性能特点，与PBO纤维复合后的界面性能和复合材料整体性能也会有所差异。后续研究可开展PBO纤维与其他树脂基体复合材料的研究，对比不同基体复合材料在常压氧气DBD等离子体处理后的界面性能变化，为PBO纤维在不同领域的应用提供更广泛的理论和实验依据。从研究深度上，本研究虽然初步探讨了常压氧气DBD等离子体改善PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的物理和化学作用机制，但对于一些深层次的微观机制还需要进一步深入研究。在化学作用机制方面，虽然已知等离子体中的活性氧物种与纤维表面碳原子反应引入了极性基团，但对于具体的反应路径和反应动力学过程还缺乏深入了解。未来可结合量子化学计算等理论方法，从分子层面深入研究活性氧物种与纤维表面分子的反应机理，精确计算反应的活化能、反应热等参数，为优化等离子体处理工艺提供更深入的理论指导。在物理作用机制方面，对于等离子体中的高能粒子轰击纤维表面导致分子链断裂和重组的微观过程，以及微观结构变化对界面性能影响的定量关系还需要进一步明确。可借助分子动力学模拟等手段，模拟高能粒子与纤维表面的相互作用过程，直观展示分子链的断裂和重组过程，建立微观结构与界面性能之间的定量模型，实现对界面性能的精准调控。未来研究可在本研究基础上，从多方面深入拓展。一方面，进一步优化等离子体处理工艺参数，探索更多元化的处理条件组合，不仅关注功率和时间，还深入研究气体流量、电源频率等参数对PBO纤维及PBO/BMI复合材料界面性能的影响，通过大量实验和数据分析，建立全面的工艺参数与界面性能关系数据库，为实际生产提供更精确的工艺指导。另一方面，开展常压氧气DBD等离子体处理PBO纤维及PBO/BMI复合材料的工业化应用研究。目前的研究主要停留在实验室阶段，而在工业化生产中，需要考虑处理设