兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面低溫等離子體預(yù)處理性能研究

鄒 渝，張威威，肖 斌

(1.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院 a.教研部; b.學(xué)員一大隊(duì), 石家莊 050083; 2.第三軍醫(yī)大學(xué) 衛(wèi)勤訓(xùn)練基地, 重慶 400038)

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【軍事醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生裝備】

兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面低溫等離子體預(yù)處理性能研究

鄒 渝1a，張威威1b，肖 斌2

(1.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院 a.教研部; b.學(xué)員一大隊(duì), 石家莊 050083; 2.第三軍醫(yī)大學(xué) 衛(wèi)勤訓(xùn)練基地, 重慶 400038)

針對(duì)兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面隱身涂層脫落問(wèn)題，采用低溫等離子體預(yù)處理技術(shù)對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理。該技術(shù)能減小試樣表面接觸角，增大表面能，提高拉伸剪切強(qiáng)度，有效提高兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面粘接效果，為表面隱身涂層修復(fù)和噴涂奠定良好基礎(chǔ)。

兩棲裝甲救護(hù)車(chē)；低溫等離子體；預(yù)處理；性能

兩棲裝甲救護(hù)車(chē)是指裝有裝甲防護(hù)車(chē)體，可在水面和陸地行駛的裝甲救護(hù)車(chē)輛，主要用于兩棲作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)和傷員運(yùn)送。為提高車(chē)輛機(jī)動(dòng)性和隱身性，車(chē)體表面通常采用金屬輕質(zhì)裝甲，表面噴涂隱身涂層。然而，由于使用過(guò)程中機(jī)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(shù)，又稱(chēng)離子轟擊擴(kuò)散處理技術(shù)，按離子呈現(xiàn)的不同溫度分為高溫等離子體處理技術(shù)和低溫等離子體處理技術(shù)。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(yù)處理[2]。鑒于兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面處理的特殊要求，采用低溫等離子體預(yù)處理技術(shù)，分析其預(yù)處理性能，研究預(yù)處理方法，對(duì)于提高兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面性能和車(chē)輛整體防護(hù)性具有重要價(jià)值。

1 低溫等離子體預(yù)處理技術(shù)

兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面為金屬輕質(zhì)裝甲材料，具有密度小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但其表面親水性差、易氧化，導(dǎo)致表面與隱身涂層結(jié)合差。同時(shí)，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(yù)處理技術(shù)在非金屬材料預(yù)處理方面應(yīng)用較多，效果較好[3-8]，其表面反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。就目前應(yīng)用情況來(lái)看，氣體受輝光作用所引起的等離子體最符合生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)要求，處理效果也最為明顯[9-13]。因此，兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面預(yù)處理的低溫等離子體，采用氣體輝光放電作用產(chǎn)生，對(duì)于提高預(yù)處理效果具有技術(shù)可行性。

圖2 等離子體在材料表面的反應(yīng)機(jī)理

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用金屬輕質(zhì)裝甲為實(shí)驗(yàn)樣品，制備成20 mm×10 mm×2 mm的試樣。取無(wú)水乙醇清洗試樣10 min，而后在超聲清洗機(jī)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(zhì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用TFR02-PL-3700等離子體表面處理機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行表面處理。處理參數(shù)為：功率800 W，處理距離10 mm，氣氛為空氣，時(shí)間分別為0 s、5 s、10 s、20 s、40 s，處理后立即進(jìn)行真空密封存儲(chǔ)。

采用JGW-360A型接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)等離子體處理前試樣的表面接觸角進(jìn)行測(cè)試，分析表面能。將經(jīng)過(guò)低溫等離子體預(yù)處理后的試樣放到接觸角測(cè)量?jī)x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(cè)量后的平均值，即為被測(cè)試樣表面水接觸角。對(duì)比分析試樣在未處理和不同處理時(shí)間下的表面親水性能差異。

采用CMT4303萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，按照GB/T9979—2005要求測(cè)試?yán)魪?qiáng)度。將環(huán)氧樹(shù)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(jī)攪拌10 min和IKAT高速剪切機(jī)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(xué)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)搭接試樣。使用CMR-1A型熱補(bǔ)儀進(jìn)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(shí)間為120 min，固化后自然冷卻。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間變化的曲線。從圖3和表1可看出，對(duì)試樣表面進(jìn)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(dá)25.8%。當(dāng)處理時(shí)間為40 s時(shí)，接觸角降低至48.7°，降幅達(dá)43.9%。

圖3 等離子體處理對(duì)試樣表面接觸角的影響

通過(guò)楊氏方程固體表面能計(jì)算方法，計(jì)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(dá)83.7%。當(dāng)處理時(shí)間為40 s時(shí)，表面能增加到50.1 mJ/m2，增幅達(dá)146.7%。

結(jié)合圖3、圖4和表1可以看出，隨著處理時(shí)間的增加，表面接觸角隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降，表面能隨時(shí)間增長(zhǎng)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(jìn)行浸潤(rùn)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(duì)試樣表面能的影響

處理時(shí)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(qiáng)度分析

為研究等離子體表面處理對(duì)試樣表面粘結(jié)性能的影響，對(duì)等離子體處理后的試樣進(jìn)行粘接，并對(duì)拉剪性能進(jìn)行對(duì)比分析。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析不同處理時(shí)間對(duì)拉剪強(qiáng)度的影響。

圖5為試樣粘接后的拉剪強(qiáng)度隨等離子體處理時(shí)間的變化曲線。從圖5和表2可以看出，在一定范圍內(nèi)，試樣的拉剪強(qiáng)度隨等離子體處理時(shí)間的增加呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)。從未處理到處理40 s，拉剪強(qiáng)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(shí)間對(duì)試樣拉剪強(qiáng)度的影響

處理時(shí)間/s拉剪力/kN拉剪強(qiáng)度/MPa拉剪強(qiáng)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(shuō)明試樣與膠粘劑界面強(qiáng)度較低。等離子體處理5 s后，拉伸剪切試樣斷面出現(xiàn)大量不規(guī)則凹凸起伏與韌型形貌(圖6(b))，試樣表面膠含量增加，說(shuō)明粘接強(qiáng)度有所提高，此時(shí)表現(xiàn)為混合斷裂。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，試樣表面膠黏劑含量持續(xù)增加，逐漸被膠層覆蓋，混合斷裂越來(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，等離子體對(duì)試樣表面處理，主要原理是通過(guò)等離子體的刻蝕作用，使試樣的表面粗糙度增加，進(jìn)而使其與膠粘劑的有效接觸面積增大，導(dǎo)致機(jī)械粘接力增強(qiáng)；同時(shí)，等離子體處理后試樣表面能提高，浸潤(rùn)性能增強(qiáng)，表面活性提高，使粘結(jié)界面化學(xué)鍵結(jié)合率提升，從而顯著提高了粘接強(qiáng)度。

4 結(jié)論

采用低溫空氣等離子體表面預(yù)處理技術(shù)對(duì)兩棲裝甲救護(hù)車(chē)表面進(jìn)行改性，能夠明顯改善表層親潤(rùn)性，接觸角隨著改性時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著下降，從未處理到處理40 s時(shí)，下降了43.9%；表面能明顯升高，由未處理時(shí)的20.3 mJ/m2迅速增加到處理40 s時(shí)的50.1 mJ/m2，利于表面與隱身涂層粘接。從拉升剪切強(qiáng)度來(lái)看，從未處理到處理40 s，拉剪強(qiáng)度由3.55 MPa增加到了16.52 MPa，上升幅度為3.65倍，對(duì)于提高表面與隱身涂層粘接強(qiáng)度有明顯效果。

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(責(zé)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(yī)大學(xué)人文社科基金項(xiàng)目(2014XRW12)

鄒渝(1986—)，男，講師，主要從事軍事裝備學(xué)、人因工效學(xué)研究。

肖斌(1976—)，男，碩士，副教授，主要從事軍事基礎(chǔ)教育訓(xùn)練、后勤指揮管理、衛(wèi)勤訓(xùn)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(hù)車(chē)表面低溫等離子體預(yù)處理性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):180-183.