兩棲裝甲救護車表面低溫等離子體預處理性能研究

鄒 渝，張威威，肖 斌

(1.石家莊機械化步兵學院 a.教研部; b.學員一大隊, 石家莊 050083; 2.第三軍醫大學 衛勤訓練基地, 重慶 400038)

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【軍事醫學與衛生裝備】

兩棲裝甲救護車表面低溫等離子體預處理性能研究

鄒 渝1a，張威威1b，肖 斌2

(1.石家莊機械化步兵學院 a.教研部; b.學員一大隊, 石家莊 050083; 2.第三軍醫大學 衛勤訓練基地, 重慶 400038)

針對兩棲裝甲救護車表面隱身涂層脫落問題，采用低溫等離子體預處理技術對表面進行預處理。該技術能減小試樣表面接觸角，增大表面能，提高拉伸剪切強度，有效提高兩棲裝甲救護車表面粘接效果，為表面隱身涂層修復和噴涂奠定良好基礎。

兩棲裝甲救護車；低溫等離子體；預處理；性能

兩棲裝甲救護車是指裝有裝甲防護車體，可在水面和陸地行駛的裝甲救護車輛，主要用于兩棲作戰戰場救護和傷員運送。為提高車輛機動性和隱身性，車體表面通常采用金屬輕質裝甲，表面噴涂隱身涂層。然而，由于使用過程中機械撞擊和海水腐蝕等原因，表面隱身涂層易脫落。等離子體表面處理技術，又稱離子轟擊擴散處理技術，按離子呈現的不同溫度分為高溫等離子體處理技術和低溫等離子體處理技術。由于低溫等離子體包含的能量較低，能夠使材料表面分子鏈斷裂[1]，被廣泛用于在材料表面預處理[2]。鑒于兩棲裝甲救護車表面處理的特殊要求，采用低溫等離子體預處理技術，分析其預處理性能，研究預處理方法，對于提高兩棲裝甲救護車表面性能和車輛整體防護性具有重要價值。

1 低溫等離子體預處理技術

兩棲裝甲救護車表面為金屬輕質裝甲材料，具有密度小、質量輕等優點，但其表面親水性差、易氧化，導致表面與隱身涂層結合差。同時，由于海水腐蝕，使得涂層容易脫落，如圖1所示。

低溫等離子體預處理技術在非金屬材料預處理方面應用較多，效果較好[3-8]，其表面反應機理如圖2所示。就目前應用情況來看，氣體受輝光作用所引起的等離子體最符合生產及實驗要求，處理效果也最為明顯[9-13]。因此，兩棲裝甲救護車表面預處理的低溫等離子體，采用氣體輝光放電作用產生，對于提高預處理效果具有技術可行性。

圖2 等離子體在材料表面的反應機理

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

本實驗采用金屬輕質裝甲為實驗樣品，制備成20 mm×10 mm×2 mm的試樣。取無水乙醇清洗試樣10 min，而后在超聲清洗機中清洗10 min，之后取出放入蒸餾水中充分洗滌，除去表面吸附的油垢和雜質。

2.2 實驗方法

利用TFR02-PL-3700等離子體表面處理機對試樣進行表面處理。處理參數為：功率800 W，處理距離10 mm，氣氛為空氣，時間分別為0 s、5 s、10 s、20 s、40 s，處理后立即進行真空密封存儲。

采用JGW-360A型接觸角測量儀對等離子體處理前試樣的表面接觸角進行測試，分析表面能。將經過低溫等離子體預處理后的試樣放到接觸角測量儀上，并以微量滴管滴入適量蒸餾水至其表面，觀察表面接觸角變化。為提高精確性，采用5次不同的地方測量后的平均值，即為被測試樣表面水接觸角。對比分析試樣在未處理和不同處理時間下的表面親水性能差異。

采用CMT4303萬能實驗機，按照GB/T9979—2005要求測試拉剪強度。將環氧樹脂和固化劑按照5:1配比混合，分別使用歐河OA2000低速攪拌機攪拌10 min和IKAT高速剪切機混合2 min，制得混合均勻的粘接劑。將粘接劑均勻涂在處理試樣表面，按照金屬高低溫力學性能檢測標準搭接試樣。使用CMR-1A型熱補儀進行固化，真空度為40 kPa，升溫速率為5℃/min，固化溫度為70℃，固化時間為120 min，固化后自然冷卻。

采用Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣拉伸剪斷口形貌進行觀察。

3 實驗結果分析

3.1 表面接觸角與表面能分析

圖3、圖4為試樣表面接觸角和表面能隨處理時間變化的曲線。從圖3和表1可看出，對試樣表面進行等離子體處理20 s后，其接觸角由86.8°迅速降低至64.4°，降幅達25.8%。當處理時間為40 s時，接觸角降低至48.7°，降幅達43.9%。

圖3 等離子體處理對試樣表面接觸角的影響

通過楊氏方程固體表面能計算方法，計算出試樣的表面能。從圖4和表1可看出，處理20 s后，表面能從20.3 mJ/m2迅速增加到37.3 mJ/m2，增幅達83.7%。當處理時間為40 s時，表面能增加到50.1 mJ/m2，增幅達146.7%。

結合圖3、圖4和表1可以看出，隨著處理時間的增加，表面接觸角隨時間增長而下降，表面能隨時間增長而上升。接觸角和表面能代表試樣表面與液體的親和能力。接觸角越小，表面能越大，隱身涂層(液體狀)能更好地在材料表面進行浸潤和鋪展，顯著增加二者的接觸面積，并在凹坑、縫隙等處更好地滲透。

圖4 等離子體處理對試樣表面能的影響

處理時間/s接觸角/(°)表面能/(m2·mJ-1)086.820.32064.437.34048.750.1

3.2 拉伸剪切強度分析

為研究等離子體表面處理對試樣表面粘結性能的影響，對等離子體處理后的試樣進行粘接，并對拉剪性能進行對比分析。本實驗重點分析不同處理時間對拉剪強度的影響。

圖5為試樣粘接后的拉剪強度隨等離子體處理時間的變化曲線。從圖5和表2可以看出，在一定范圍內，試樣的拉剪強度隨等離子體處理時間的增加呈現顯著的增加趨勢。從未處理到處理40 s，拉剪強度由3.55 MPa增加到了16.52 MPa，上升幅度為3.65倍，效果十分明顯。

圖5 等離子體處理時間對試樣拉剪強度的影響

處理時間/s拉剪力/kN拉剪強度/MPa拉剪強度增加幅度/%01.203.55—53.128.69145103.7610.79204204.5413.68285405.5216.52365

圖6為等離子體處理前后鋁片粘接后拉剪斷口的SEM形貌。由圖6(a)可看出，未處理試樣斷面大部分較為平整，破壞形式為界面破壞，說明試樣與膠粘劑界面強度較低。等離子體處理5 s后，拉伸剪切試樣斷面出現大量不規則凹凸起伏與韌型形貌(圖6(b))，試樣表面膠含量增加，說明粘接強度有所提高，此時表現為混合斷裂。隨著處理時間延長，試樣表面膠黏劑含量持續增加，逐漸被膠層覆蓋，混合斷裂越來明顯(圖6(c)、圖6(d)、圖6(e))。

圖6 等離子體處理前后試樣粘接拉剪斷口的SEM形貌

通過實驗結果分析可知，等離子體對試樣表面處理，主要原理是通過等離子體的刻蝕作用，使試樣的表面粗糙度增加，進而使其與膠粘劑的有效接觸面積增大，導致機械粘接力增強；同時，等離子體處理后試樣表面能提高，浸潤性能增強，表面活性提高，使粘結界面化學鍵結合率提升，從而顯著提高了粘接強度。

4 結論

采用低溫空氣等離子體表面預處理技術對兩棲裝甲救護車表面進行改性，能夠明顯改善表層親潤性，接觸角隨著改性時間的增長而顯著下降，從未處理到處理40 s時，下降了43.9%；表面能明顯升高，由未處理時的20.3 mJ/m2迅速增加到處理40 s時的50.1 mJ/m2，利于表面與隱身涂層粘接。從拉升剪切強度來看，從未處理到處理40 s，拉剪強度由3.55 MPa增加到了16.52 MPa，上升幅度為3.65倍，對于提高表面與隱身涂層粘接強度有明顯效果。

[1] 夏熙.PTFE及在化學電源和燃料電池中的應用問題[J].電池,2010(5):256-258.

[2] 吳永倩,程隆棣,殷慶永.等.離子體處理對芳砜綸相關性能的影響[J].東華大學學報(自然科學版),2011(2):142-145.

[3] 袁宏觀.酚醛樹脂基高溫膠粘劑的粘接特性研究[D].南京:東南大學,2012.

[4] 李小兵.仿生結構表面接觸角與化學法修飾醫用聚合物潤濕性研究[D].南昌:南昌大學,2009.

[5] LEE K Y,YUK S H.Polymeric protein delivery systems[J].ProgPolym.Sci,2007,24(32):669-697.

[6] ULBRICHT M.Advanced functional polymer membranes[J].Polymer,2006,9(47):2217-2262.

[7] 孟靈靈,黃新民,魏取福.氧等離子體預處理對滌綸基納米銅膜性能影響[J].化工新型材料,2013(8):70-71.

[8] WANG L，ZHANG G，MA F.A study on comprehensive recycling of waste diamond tools[J].Rare Metals,2012,31(1):88-91.

[9] 陳先有,崔晶.航空復合材料的修補技術與應用[J].新技術新工藝,2007(2):74-76.

[10]杜龍,萬建平.復合材料損傷及結構修理技術[J].教練機,2012(4):61-68.

[11]唐麗華.高分子材料低溫等離子體改性的研究[D].蘭州:西北師范大學,2008.

[12]楊雋,汪建華.鋁合金表面微波等離子體類聚乙二醇涂層的親水性研究[J].材料保護,2004(6):1-3.

[13]王曉清.等離子體對鋁片表面改性及其引發聚合的研究[D].武漢:武漢工程大學,2011.

(責任編輯 楊繼森)

Research on Characteristics of Low Temperature Plasma Modification on Amphibious Armored Ambulance

ZOU Yu1a， ZHANG Weiwei1b， XIAO Bin2

(1.a.Department of Teaching and Research; b.The First Cadets’ Brigade, Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050083, China; 2.Medical Service Training Base, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)

The low temperature plasma modification technology is utilized to solve the problem that stealthy coatings peel off amphibious armored ambulance. After the experiment, the armor surface’s contact angle is reduced. Surface energy and glue joint tensile shear strength is increased. After plasma modification, surface has better felting characteristics which are helpful in stealthy coatings spraying and repairing.

amphibious armored ambulance; low temperature plasma; modification; effect

10.11809/scbgxb2017.07.039

2017-03-15；

2017-04-15

全軍軍事科研中青年課題(14QJ004-090)；第三軍醫大學人文社科基金項目(2014XRW12)

鄒渝(1986—)，男，講師，主要從事軍事裝備學、人因工效學研究。

肖斌(1976—)，男，碩士，副教授，主要從事軍事基礎教育訓練、后勤指揮管理、衛勤訓練研究。

format:ZOU Yu，ZHANG Weiwei，XIAO Bin.Research on Characteristics of Low Temperature Plasma Modification on Amphibious Armored Ambulance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):180-183.

TG178

A

2096-2304(2017)07-0180-04

本文引用格式：鄒渝，張威威，肖斌.兩棲裝甲救護車表面低溫等離子體預處理性能研究[J].兵器裝備工程學報，2017(7):180-183.