摘要：等离子处理系统用于清洁复合材料，增加粘合表面能（左上角，逆时针方向）Plasmatreat提供Openair等离子系统，该系统在真空外壳中的大气压和低压系统下运行，适用于各种复合材料，包括电路板中的玻璃纤维/环氧树脂层压板。其PlasmaPlus技术可以将纳米

Plasmatreat冷等离子体系统清洁、活化表面，并应用纳米涂层作为电介质屏障等。

等离子处理系统用于清洁复合材料，增加粘合表面能（左上角，逆时针方向）Plasmatreat提供Openair等离子系统，该系统在真空外壳中的大气压和低压系统下运行，适用于各种复合材料，包括电路板中的玻璃纤维/环氧树脂层压板。其PlasmaPlus技术可以将纳米涂层共价结合到表面上，作为不同材料结合的连接层，以及介电和电偶腐蚀屏障。

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。它在全球销售了10000多套等离子处理系统。尽管最初的采用和使用主要是在金属、塑料和半导体领域，但Plasmatreat技术已在复合材料中使用多年，并且还在不断增长。

Plasmatreat系统可在几秒钟内提供自动化、可靠和均匀的清洁和表面能激活，可以针对大型或集中的局部区域。其技术能够优化油漆和涂料的粘合，以及机翼壁板中的复合材料蒙皮厂桁组件和汽车中常见的多种材料粘合（如混合金属和塑料复合材料）。但这项技术也可以将纳米材料和雾化液体沉积在1至2微米厚的层中，用于各种类型的保护，包括电介质屏障以及其他功能，这对飞机、太空和能源生产中的下一代材料越来越重要。

等离子体是如何工作的

等离子体是电离气体。Plasmatreat的高级研发工程师赖安·罗宾逊（Ryan Robinson）解释说：“我们的系统使用冷等离子体。”。“我们从高压电弧开始，但会立即用高流量的气体（如空气或氮气）拉伸和稀释它，这样当它击中零件时，温度就会略高于室温。”

Plasmatreat航空航天业务开发负责人莎拉·蒙托洛（Sarah Montrowl）补充道：“我们基本上是在清洁干燥的空气中施加高压来产生等离子体。”。“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，留下一个原始的表面。”

等离子体处理增加了复合材料表面的表面能，以提高粘附力和粘合强度。

等离子体还改变了表面自由能，例如从疏水性变为亲水性，这提高了其对粘合剂和涂料的润湿性。传统上，复合材料中使用水滴测试来指示适当制备的粘合表面。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的，接触角90°的接触角聚集。

罗宾逊说：“然而，我们的系统只使用空气和电力，所以没有挥发性有机化合物、刺激性化学物质或溶剂，也没有有害的副产品。”。“这也是一个自动化的过程，减轻了手工表面处理带来的手工劳动和不一致性，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。

蒙托洛说，等离子体还形成功能性羟基、羰基和羧基，以增加表面能，从而增加粘附力和粘合强度。“这是一种不同于仅仅使用磨损的机制。由于等离子体功能化，它能够与粘合剂或涂层形成化学共价键，而不是物理粗糙化的机械键。”例如，处理航空航天级碳纤维/环氧树脂层压板可以将表面能从28毫牛顿/米提高到68毫牛顿/米。我们稍后再谈这个。

系统类型、可扩展性、应用程序

Plasmatreat根据使用的压力销售两种基本类型的系统。低压系统在真空室内应用等离子体射流，而其商标Openair等离子体系统使用大气压下的射流。这些可以在封闭的机柜内或更大的自动化系统的一部分内，并且经常与笛卡尔或六轴机器人集成。

罗宾逊说：“对于我们的低压系统，标准室相当于迷你冰箱。”。“还有一个大容量系统（大约1854×1422×610毫米），用于汽车保险杠大小的零件。你可以在里面装很多大零件。”

蒙托洛指出，一种新的超大容量系统正在开发中，用于复合材料机翼部分、蜂窝板和风力涡轮机转子叶片。“它更窄，也很长，为目前正在手工打磨的这些大型组件节省了大量时间和可靠性。”

露天等离子系统也可以扩展。它们由发生器、等离子体控制单元和等离子体射流组成。蒙托洛说：“我们提供的系统可以从一台发电机上运行一架喷气式喷嘴，最多16架喷喷嘴。”。“我们还提供一系列喷射直径，用于处理局部或大面积。到目前为止，我们最大的直径为135毫米。”

这些材料处理复合材料表面的速度有多快？罗宾逊说：“通常在几秒钟内。”。“我们也可以改变速度，但常见的设置是150毫米/秒。”

蒙托洛说，Plasmatreat系统正在处理各种复合材料。“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，这些材料已成为我们关注的重点。”

在不损坏纤维的情况下增加粘合

蒙托洛说：“特别是当我们进入更先进的热固性塑料和热塑性塑料领域时，人们发现这些表面在粘合方面确实具有挑战性，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来实现共价键合。她解释说：“在等离子体处理过程中，我们插入了氧基团并使表面功能化，但我们没有暴露纤维。”。“我们听到的关于手工打磨的主要抱怨之一是，你不想降解你试图粘合的材料。我们的冷等离子体没有烧蚀，所以消除人为错误也可以节省成本。”

罗宾逊指出，这种表面没有机械或热损伤的情况也使精细材料的加工成为可能。“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，粘合性很好。”

华盛顿大学使用各种表面处理方法对碳维/PEKK复合材料的测试结果。

华盛顿大学（西雅图）的一项涂料研究中进行的测试比较了碳纤维/PEKK复合材料与各种类型的表面处理。使用Plasmatreat系统制成的样品显示出最低的接触角（最高的润湿性）、最高的功能性和最低的油漆去除面积。

碳纤维和玻璃纤维增强环氧复合材料的表面能测试结果，比较了表面制备方法。

在波音研发公司（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。

搭接剪切试验表明，与不进行表面处理相比，使用两部分环氧树脂粘合剂粘附在铝上的碳纤维增强聚合物使用等离子体处理时，粘合强度提高了40%。

复合材料表面的表面能和官能团的增加导致了更高的结合强度。例如，Plasmatreat在碳纤维增强聚合物上进行的测试表明，与未经处理的表面相比，搭接剪切强度高出40%，并且优选的内聚破坏是粘合剂在自身内部断裂，而不是粘合剂从粘合表面分离的粘合破坏。

蒙托洛说：“我们还看到了德克萨斯大学的测试结果，用我们的系统处理的纤维对基质树脂表现出更好的粘附性。这已经成为我们几个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。罗宾逊解释说：“在我们的低压系统中，我们引入了液体化学物质，当它们进入腔室时会变成蒸汽。”。“我们称之为等离子体增强化学气相沉积，它使我们能够将10-700纳米厚的纳米涂层沉积并共价结合到表面上。”

蒙托洛说：“我们也可以使用我们的大气喷射系统来实现这一点，这是我们的PlasmaPlus技术。这通常是在首先使用等离子体喷射清洁和激活零件表面之后进行的第二步，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，将复合材料等不同材料粘合到金属或塑料上。”

罗宾逊说：“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。”。”我们正在使用相同的方法来防止粘合线应用中复合材料的电偶腐蚀，并在电子和电路板应用中的玻璃纤维/环氧树脂层压板和其他材料上施加电介质屏障。”

蒙托洛补充道：“因为这是一种纳米涂层，所以它对零件设计没有侵入性。”。“现在，它已被添加到许多这些设计和工艺的规范中。”

不断增长的应用程序

Plasmatreat在大型系统中的增长越来越快。“该行业正在转向大型机器人进行涂装，” 蒙托洛说，“我们的大面积喷射器正在被整合到这些机器人中。因此，它们将清洁、激活然后涂漆，而不是手工打磨所有这些大型结构。经过多年的开发工作，一些客户现在已经将我们的大区域喷射系统添加到了他们的工艺规范中。”

但她指出，大型低压室的使用也在增长。“我们看到人们对机翼蒙皮、发动机吊舱和风叶的兴趣越来越大，这些更大的零件体积刚好足够大，因此砂光或机械表面处理等劳动密集型方法不再适合。这些腔室也成为蜂窝或难以触及的狭窄特征等具有大量几何形状的零件的首选方法。”

Plasmatreat在各个行业都看到了更高的产量趋势。蒙托洛指出：“我们一直积极参与大批量汽车生产，我们的系统非常适合高度自动化的生产线。随着生产量的增加，我们还看到电子行业从批量处理转向在线解决方案。我们的Openair等离子系统现在用于在线处理电路板，以确保保形涂层的适当粘附，这使得选择性清洁和单件工作流程具有灵活性。我们在航空航天领域也看到了类似的趋势。”随着先进的空气流动性的成熟和原始设备制造商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，以帮助在自动化生产线上实现更高的产量。

罗宾逊说：“这就是我们未来看到大量增长的地方。”。“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气式飞机，可以帮助制造太阳能电池的涂料。我们一直在寻找可以开发新应用的合作伙伴。因此，许多行业都在寻求更高的性能，但也要提高工艺效率和可持续性。我们有一项技术可以提供帮助。”

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原文，《 Plasma moves beyond improved bonding to coatings, multifunctional composites 》 2025.3.31

杨超凡 2025.4.4

来源：每日科学知识