碳纤维表面处理技术的研究进展.doc

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1、碳纤维表面处理技术的研究进展0引言碳纤维是用分解温度低于熔融温度的纤维聚合物，通过千度以上固相热解而制成的，具有比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，在航天、航空等高科技领域中被广泛用于碳纤维增强复合材料(CFRP)。CFRP的综合性能不仅与增强相、基体相有关，更与两相的界面结合质量有关。结合良好的界面能有效地传递载荷，充分发挥碳纤维高强度、高模量的特性，提高CFRP制品的力学性能。众所周知，纤维的表面活性在很大程度上取决于其表面的表面能，活性官能团的种类和数量，酸碱交互作用和表面微晶结构等因素。从表面形态上看，

2、碳纤维的表面有很多孔隙、凹槽、杂质及结晶，这些对复合材料的粘结性能有很大影响。从化学组成来看，碳纤维整体主要是碳、氧、氮、氢等元素，未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团的含量较少，不利于其与基体树脂的粘结。碳纤维的表面性质也受到其制备工艺的影响，A.Fjeldly等采用相同的表面处理方法，处理了不同牌号的碳纤维，发现其表面性质有很大差异。碳纤维的类石墨结构决定了其表面呈化学惰性，不易被基体树脂浸润以及发生化学反应，与基体树脂的粘结性能较差，表现为CFRP的偏轴强度较低。因此，要改善CFRP的界面性能，必须改善碳纤维的表面性能。近年来对碳纤维表面进行改性处理，改

3、善碳纤维与基体树脂之间的粘结强度，以充分发挥碳纤维的优异力学性能，一直是人们关注的问题。目前常用的表面处理方法，都是在碳纤维表面发生一系列物理化学反应，增加其表面形貌的复杂性和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，实现提高复合材料整体力学性能的最终目的。1常用的表面处理方法1.1气相氧化法气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、O3等)中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的CFRP，弯曲强度、弯曲模量、界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)等力学性能均可得到有效提高

4、，但材料的冲击强度降低较大。此法按氧化剂的不同，通常分为空气氧化法和臭氧氧化法。采用空气氧化时，氧化温度对处理效果有显著影响。王玉果等对碳纤维在400℃空气氧化处理1h和450℃空气氧化处理1h后制成的三维编织碳纤维/环氧复合材料进行研究，发现其力学性能除冲击强度外均随处理温度的升高而增加，CFRP的整体力学性能得到了明显的改善。臭氧氧化法由于具有时间短、设备工艺简单、氧化缓和等特点，也得到了广泛的应用。贺福等用臭氧氧化处理PAN基碳纤维，发现复合材料的界面粘结紧密，断裂形貌由多剪转变为抗剪。冀克俭等采用臭氧氧化法对碳纤维进行了表面处理，发现碳纤维表面羟基或醚基官能团

5、的含量提高，其与环氧树脂制成复合材料后的ILSS提高35%。近年来，利用惰性气体氧化法进行表面处理，也得到了研究人员的关注。西北工业大学的卢锦花等，将碳纤维在氩气保护、2200℃的高温下处理2h，发现C/C复合材料的弯曲强度提高75%，断口扫描表明断裂以脆性断裂为主，纤维与基体的结合强度较高。1.2液相氧化法液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。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CFRP的ILSS提高不显著。葡萄牙的Ph.Serp等用7

6、0%的硝酸在80℃下处理碳纤维，极大地增加了碳纤维表面的氧含量，改善了其表面的粘结性。万怡灶等用65%的浓硝酸在煮沸下处理PAN基碳纤维，制得的C/PLA复合材料的宏观力学性能均有一定提高。杜慧玲等用65%的浓硝酸在煮沸(8h)下处理PAN基碳纤维，制得的C/PLA复合材料的弯曲强度提高12.9%，横向剪切强度提高63.4%，平面剪切强度提高15.6%；并由X-射线电子能谱(XPS)分析发现，复合材料界面粘结性能得到改善的根本原因是在界面区域发生了某种酯化反应。研究表明：用强氧化剂溶液氧化，对纤维本身强度损伤不大，但氧化效果不显著。液相氧化的处理时间和氧化温度也会对处

7、理效果产生显著影响。液相氧化法相比气相氧化法较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长，与碳纤维生产线匹配难，多用于间歇表面处理。1.3阳极氧化法阳极氧化法，又称电化学氧化表面处理，是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程。要求水的纯度高，如果水中有杂质，其负离子电极位低于氢氧根负离子的电极位，则阳极得不到氧气；还要求正离子电极位低于氢正离子电极位，以保证阴极只有放氢反应；此外电极必须是惰性的，不参加电