碳纤维的表面处理技术

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1、碳纤维表面改性技术摘要碳纤维是一种高性能的材料，它在军事及工业等领域己得到广泛的应用，但由于表面结构的不足，而限制其在复合材料屮的部分应用，因此，为了提高碳纤维复合材料的界面结合力，目前国内外的多种表面改性技术得到广泛的应用，主要包描氧化处理，表面涂层法，射线、激光辐射改性及其他处理方法等。关键词碳纤维，表面改性，氧化处理，表面涂层1前言碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在85%以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得⑴。碳纤维具有十分优异的力学性能，具有比强度高、比模量高等优异特性，在国民经济各个领域得到广泛应用。是目前已人量生产的高性能纤维中具冇最高

2、的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000°C以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科

3、技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也冇重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响⑵。2碳纤维的简介碳纤维一般是用分解温度低于熔融点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的，其含碳量在85%以上，在热裂解过程中排出其它元素，形成石墨晶格结构。根据性能的不同可分为高强度、高模量碳纤维，活性碳纤维和离子交换碳纤维。根据制备的原料不同可分为聚丙烯月青(PAN)基碳纤维、胶粘基碳纤维、沥青基碳纤维、酚基碳纤维等〔"I。碳纤维是一种力学性能

4、优异的新材料，它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000〜43000Mpa亦高于钢。材料的比强度愈高，则构件H重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。通过在离子气体小用腐蚀方法研究碳纤维的结构发现，石墨表而微品在整个纤维屮的分布是不均匀的。碳纤维由外皮层和芯层两部分组成，外皮层和芯层Z间是连续的过渡层，其小皮层约占14%,芯层约占39%。皮层的微品尺寸较大，排列较整齐冇序。由外到内，微品尺寸减小，排列逐渐变

5、得紊乱，结构的不均匀性越来越显著，称Z为过渡区⑶。碳纤维表面的粗糙度、微晶大小、官能团的种类和数量对碳纤维与树脂基体的结合性能有很大的影响。表面未经处理的碳纤维具有表面光滑、惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，表面呈现化学惰性，与树脂基体浸润性差，这使复合材料界面粘合性能差，从而直接影响复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥。经表面处理后，碳纤维增强材料的力学性能，如层间剪切强度有很大提高，因此碳纤维的表面改性研究一直是研究的热点之一。I大I此，人们对碳纤维的表面进行了许多改性研究，如空气氧化、液相氧化、等离了体氧化和电化学阳极氧化等方法，以增加碳纤维的活性比

6、表面积和表面含氧官能团，改善与树脂的粘合性，有效地利用碳纤维高强度高模量的优异性能，碳纤维表面状态的研究貝有十分重要的意义。3碳纤维的表面处理目前，国内外对碳纤维表面改性进行了很多的研究，其中研究较多的处理方法主要有氧化处理，表面层涂法，射线、激光辐射处理法及其他处理方法等⑶。3.1氧化处理法氧化处理，是通过氧化剂等将碳纤维表面氧化，处理后的碳纤维农面含有功能性官能团，能够很好的改变碳纤维复合材料中的界面相容性，从而提高复合材料的机械性能等。目前，纤维碳表面氧化处理可分为液相氧化、气相氧化、电化学氧化处理以及等离子体氧化法等⑷忙3.1.1液相氧化法液相氧化法是采用液相介质

7、对碳纤维表面进行氧化的方法，液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的界面层间剪切强度很有效。常用的液相介质有硝酸、酸性重洛酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等，都可以用于对碳纤维进行表面处理。液相氧化的方法较气相氧化法温和，不易使纤维产生过渡的刻蚀和裂解，而口在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多。最常见的液相氧化剂是浓硝酸，浓度一般在60%〜70%,浓度过高则纤维在氧化过程中被强酸腐蚀，强度损失较大，导致复合材料的性能提高不显著。用硝酸氧化碳纤维,可使其表而生成竣基、轻基等酸性基团，这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增