本發(fā)明涉及一種PBO（聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑）纖維表面改性方法及應(yīng)用，具體涉及一種原子氧改善PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：
PBO纖維作為一種高性能的芳香族雜環(huán)聚合物，是通過(guò)液晶紡絲制得的一種高性能纖維。PBO纖維作為新一代先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能，被譽(yù)為“21世紀(jì)的超級(jí)纖維”。PBO纖維規(guī)則有序的取向結(jié)構(gòu)在賦予其優(yōu)異性能的同時(shí)，也導(dǎo)致纖維表面非常光滑且呈化學(xué)惰性，與樹(shù)脂基體不能良好的浸潤(rùn)，嚴(yán)重制約了其在復(fù)合材料中的應(yīng)用。因此，通過(guò)改善PBO纖維表面的物理、化學(xué)狀態(tài)，增強(qiáng)其與樹(shù)脂基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，已成為各國(guó)研究人員普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，常用的PBO纖維表面改性方法有：酸處理、等離子體處理、表面涂層處理及化學(xué)接枝處理等。總體上講，物理法工藝簡(jiǎn)單、易操作，但界面改善效果不夠明顯；化學(xué)法能夠使纖維表面形成了大量的羥基、羧基等極性基團(tuán)，界面改善效果較好，但化學(xué)處理會(huì)給纖維的結(jié)構(gòu)帶來(lái)相當(dāng)程度的損傷從而影響復(fù)合材料的強(qiáng)度。PBO纖維的結(jié)構(gòu)如下：。原子氧作為近地球軌道中最主要的成分，是大氣層頂部的氧氣分子與太陽(yáng)紫外線(λ≤243nm)相互作用使其光致解離而形成的。原子氧具有很強(qiáng)的氧化性，能夠與材料直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于需要長(zhǎng)期在低軌道上運(yùn)行和工作的航天器，例如空間站、長(zhǎng)壽命及衛(wèi)星等，原子氧侵蝕將十分嚴(yán)重。地面模擬實(shí)驗(yàn)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的研究原子氧侵蝕效應(yīng)的方法，能夠揭示原子氧與材料相互作用的機(jī)理，定性和定量地了解原子氧能量、通量和環(huán)境粒子對(duì)材料性能的影響，并為空間材料的選擇和評(píng)定提供應(yīng)用和設(shè)計(jì)參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有PBO纖維表面呈化學(xué)惰性導(dǎo)致與基體樹(shù)脂浸潤(rùn)性差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種原子氧改善PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種原子氧改善PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的方法，具體是按以下步驟完成的：一、將PBO纖維置于燈絲放電磁場(chǎng)約束型原子氧效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備的真空室內(nèi)，在真空室氣壓為0.05~0.2Pa、放電電壓為100~150V、放電電流為100~190mA、原子氧通量約為1.5×1015~9.5×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理1~4h。二、將經(jīng)過(guò)原子氧輻照處理后的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質(zhì)量比1~5:1稱取環(huán)氧樹(shù)脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻后在纖維單絲上點(diǎn)直徑為100~200μm的樹(shù)脂球，隨后置于烘箱中進(jìn)行固化，制備成經(jīng)過(guò)界面改性的PBO纖維/環(huán)氧樹(shù)脂微復(fù)合材料，固化程序?yàn)?0℃保持1~3h，120℃保持1~3h，150℃保持2~5h。本發(fā)明采用原子氧地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)PBO纖維進(jìn)行短時(shí)間的輻照處理，旨在借由原子氧的氧化作用提高纖維表面的粗糙度和極性，從而達(dá)到改善PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的目的。此外，短時(shí)間的輻照處理能夠保證原子氧與纖維的相互作用僅發(fā)生在表面皮層，不會(huì)對(duì)纖維的本體強(qiáng)度帶來(lái)明顯的負(fù)面影響。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，成本較低，處理時(shí)間相對(duì)較短，改性效果明顯，纖維本體性能損失小，可以實(shí)現(xiàn)批量處理，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1中原子氧改性PBO纖維的SEM表面形貌圖；圖2為實(shí)施例1中原子氧改性前后PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）測(cè)試結(jié)果；圖3為實(shí)施例1中原子氧改性前后PBO纖維的單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果；圖4為實(shí)施例2中原子氧改性PBO纖維的SEM表面形貌圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。實(shí)施例1：一、制備經(jīng)過(guò)界面改性的PBO纖維/環(huán)氧樹(shù)脂微復(fù)合材料（1）將PBO纖維置于燈絲放電磁場(chǎng)約束型原子氧效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備的真空室內(nèi)，在真空室氣壓為0.15Pa、放電電壓為120V、放電電流為140mA、原子氧通量約為7.1×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理2h。（2）將經(jīng)過(guò)原子氧輻照處理后的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質(zhì)量比3.13:1稱取環(huán)氧樹(shù)脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻后在纖維單絲上點(diǎn)直徑為130μm的樹(shù)脂球，隨后置于烘箱中進(jìn)行固化，制備成經(jīng)過(guò)界面改性的PBO纖維/環(huán)氧樹(shù)脂微復(fù)合材料。固化程序?yàn)?0℃保持2h，120℃保持2h，150℃保持3h。二、測(cè)試方法1、PBO纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能測(cè)試：利用復(fù)合材料界面性能評(píng)價(jià)測(cè)試儀(FA-620,日本東榮株式會(huì)社)對(duì)改性前后的PBO纖維/環(huán)氧樹(shù)脂微復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度(IFSS)進(jìn)行測(cè)試。每種條件測(cè)40個(gè)左右樹(shù)脂球，最后計(jì)算界面剪切強(qiáng)度平均值。IFSS計(jì)算公式如下所示：，式中:Fmax為脫粘力，N；d代表纖維直徑，m；l是樹(shù)脂球的包埋長(zhǎng)度，m。2、PBO纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試：利用微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試。制樣和測(cè)試的方法是按照ASTM-D3379標(biāo)準(zhǔn)《高模量單絲材料拉伸強(qiáng)度和楊氏模量測(cè)試方法》，首先將PBO纖維單絲用膠粘劑固定在紙框(外圍尺寸100mm×20mm，中框尺寸20mm×10mm)中線上，待膠合劑固化干燥后將樣品紙框放入微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)的上下夾具中間旋緊固定，剪斷紙框，以10mm/min的速度加載，當(dāng)纖維被拉斷時(shí)，記錄下最大載荷。每種纖維樣品測(cè)50次有效數(shù)據(jù)取平均值。單絲拉伸斷裂強(qiáng)度按下式計(jì)算：，式中：為纖維拉伸斷裂強(qiáng)度，GPa；為纖維斷裂時(shí)的拉力值，N；為纖維直徑，m。三、結(jié)果表1原子氧改性前后PBO纖維表面元素含量的變化從表1中所列數(shù)據(jù)可以看到，未處理PBO纖維表面的碳、氧、氮元素含量分別為87.63%、7.93%和4.44%，O/C比為9.04%，N/C比為5.06%。當(dāng)經(jīng)過(guò)原子氧輻照處理后，PBO纖維表面碳元素的含量下降為75.17%，氧元素的含量大幅提高到20.47%，與此同時(shí)，O/C比和N/C比分別增加至27.23%和5.8%，說(shuō)明纖維表面的極性官能團(tuán)含量得到大幅增加，這有利于提高纖維的表面能，改善纖維與樹(shù)脂基體之間的浸潤(rùn)性。從圖1中可以看到，PBO纖維表面有大量的凸起物，是由原子氧對(duì)纖維表面轟擊和氧化造成的。這些凸起物的存在顯著提高了PBO纖維表面的粗糙程度，能夠增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體之間的機(jī)械嚙合作用。從圖2中可以看到，未處理PBO纖維復(fù)合材料的IFSS為20.1MPa，原子氧改性PBO纖維復(fù)合材料的IFSS為34.2MPa，提高了70.2%。經(jīng)過(guò)原子氧輻照處理后纖維表面粗糙度和極性的提高是復(fù)合材料界面性能得到顯著改善的主要原因。從圖3中可以看到，未處理PBO纖維的拉伸強(qiáng)度約為5.8GPa，原子氧改性PBO纖維的拉伸強(qiáng)度為5.5GPa，僅下降了5.2%，纖維仍保持了理想的本體強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，短時(shí)間的原子氧輻照處理僅作用在PBO纖維的皮層部分，因而未對(duì)纖維的力學(xué)性能造成較大的影響。實(shí)施例2：（1）將PBO纖維置于燈絲放電磁場(chǎng)約束型原子氧效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備的真空室內(nèi)，在真空室氣壓為0.16Pa、放電電壓為150V、放電電流為150mA、原子氧通量約為9.5×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理4h。（2）將經(jīng)過(guò)原子氧輻照處理后的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質(zhì)量比4:1稱取環(huán)氧樹(shù)脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻后在纖維單絲上點(diǎn)直徑為140μm的樹(shù)脂球，隨后置于烘箱中進(jìn)行固化，制備成經(jīng)過(guò)界面改性的PBO纖維/環(huán)氧樹(shù)脂微復(fù)合材料。固化程序?yàn)?0℃保持3h，120℃保持3h，150℃保持4h。從圖4中可以看到，由于原子氧通量的增大和輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，PBO纖維表面的凸起物明顯增加，說(shuō)明纖維受到的損傷增大，不利于保持纖維的本體強(qiáng)度。另外，輻照時(shí)間過(guò)長(zhǎng)同樣不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。