碳纤维表面处理技术探讨
碳纤维表面处理方法的探讨
碳纤维表面处理方法的探讨1 引言碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。
国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美國纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。
此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。
孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。
王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。
2 常用表面处理方法2.1 阳极氧化法阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以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产的“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、羧基和二氧化碳的过程。
阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。
该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。
通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。
庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。
阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。
但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。
对碳纤维表面处理的认识与理解
对碳纤维表面处理的认识与理解碳纤维是一种新型的纤维材料，因其具有轻质、高强度、耐腐蚀等优良性能而被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。
然而，碳纤维表面具有一定的亲水性和表面能，与其他材料接触时易产生剥离、分层等问题，因此碳纤维的表面处理变得尤为重要。
本文将对碳纤维表面处理的认识与理解进行详细阐述。
一、碳纤维表面处理的必要性由于碳纤维表面的亲水性和表面能，对各类粘接剂的黏附能力强，同时对于各种腐蚀环境的敏感度也较高。
在实际生产、应用过程中，碳纤维经常需要和其他不同材料进行接触，如金属、陶瓷等。
此时若没有进行必要的表面处理，易造成产物剥离、结构松散、化学腐蚀等问题，从而影响产品的使用性能。
二、碳纤维表面处理的方法1、物理处理：该方法主要包括氧气、等离子体、激光等方法。
其中，氧气处理是目前较为常用的方法。
氧气在高温下与碳纤维表面发生氧化反应，改善纤维表面亲水性，增加其表面能。
等离子体、激光处理也能有效地改善碳纤维表面性质。
除此之外，还可采用研磨、喷砂等方法将碳纤维表面的油污、杂质清除，提高其粘接性和耐腐蚀性。
2、表面涂层：这种方法是通过在碳纤维表面覆盖一层特殊涂层，来改善其表面性质。
常用的涂层有聚合物、金属、氧化物等，可根据需要选择不同材料的涂层。
例如，以聚合物涂层为例，可以通过电泳沉积、喷涂等方式在碳纤维表面涂覆一层聚合物薄膜，以增加碳纤维表面的粘接力和耐腐蚀性。
3、化学处理：该方法通过在碳纤维表面引入一些化学物质，改变其表面性质，以提高其粘接性和耐腐蚀性。
常用的化学处理方法有表面喷涂、表面改性等。
例如，采用表面改性法，可以将碳纤维表面进行阳离子化改性，增加其表面的化学反应活性，改善其粘接性和耐腐蚀性。
三、表面处理后的碳纤维性质变化经过表面处理的碳纤维，其表面能被有效改善，亲水性变强，粘接力和耐腐蚀性能都能得到提高，从而可在更广泛、更复杂的应用中发挥更为优异的性能。
四、总结碳纤维表面处理是当前碳材料领域的一个热点问题，对于完善碳材料的力学性能和表界面性能至关重要，是碳材料研究和应用的必经之路。
碳纤维表面和界面性能研究及评价
碳纤维表面和界面性能研究及评价一、本文概述碳纤维作为一种高性能的新型材料，因其独特的力学、热学和电学性能，在众多领域如航空航天、汽车制造、体育器材等中得到了广泛应用。
碳纤维的优异性能在很大程度上取决于其表面和界面的特性，因此，对碳纤维表面和界面性能的研究及评价具有非常重要的意义。
本文旨在全面深入地探讨碳纤维表面和界面的性能，包括表面形貌、化学结构、物理性质等方面，并通过对这些性能的评价，为碳纤维的制备、改性和应用提供理论依据。
文章将概述碳纤维的基本特性及其应用领域，然后重点介绍碳纤维表面和界面的性能研究方法，包括表面形貌观察、化学结构分析、物理性能测试等。
在此基础上，文章将评价不同表面处理方法和界面改性技术对碳纤维性能的影响，以期为提高碳纤维的综合性能和应用效果提供指导。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解碳纤维表面和界面的性能特点，为碳纤维的进一步发展和应用提供有力支持。
也希望本文的研究成果能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、碳纤维表面性能研究碳纤维作为一种高性能的新型材料，其表面性能对其整体性能和应用领域具有重要影响。
因此，对碳纤维表面性能的研究成为了材料科学领域的一个研究热点。
碳纤维表面性能主要包括表面形貌、表面化学结构、表面能等方面。
表面形貌是指碳纤维表面的微观结构和粗糙度，它直接影响到碳纤维与基体之间的界面结合强度。
通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等表征手段，可以观察到碳纤维表面的微观形貌，从而评估其表面质量。
表面化学结构是指碳纤维表面的官能团和化学键合状态，它决定了碳纤维的润湿性和与基体的相容性。
通过射线光电子能谱（PS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等分析技术，可以揭示碳纤维表面的化学结构，为改善其界面性能提供理论依据。
表面能是指碳纤维表面单位面积上的自由能，它反映了碳纤维与液体或气体的相互作用能力。
表面能的大小直接影响到碳纤维的浸润性和粘附性。
碳纤维表面处理与改性
碳纤维表面处理与改性碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。
但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。
良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。
反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。
碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。
通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。
因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。
碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化)、表面涂层法、表面接枝法等。
每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。
而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较长。
阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。
此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。
1、阳极氧化法阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳纤维表面进行电化学处理。
电解质溶液种类较多,主要可以分为酸性、碱性及中性三种。
酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。
碳纤维表面改性
碳纤维表面改性(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--碳纤维表面处理研究现状碳纤维表面处理研究现状摘要：综述了碳纤维的应用领域，当前国内外的碳纤维的生产状况，分析了各种碳纤维表面处理的研究现状以及各方法的优缺点。
分析结果表明：国外对我国碳纤维生产进行了技术封锁，我国工业化碳纤维生产与日本等国有较大差距。
电化学氧化法对碳纤维表面处理效果较好，处理后碳纤维表面活性基团数量明显增多，生产条件易于控制，该方法很好应用于工业生产。
关键词：碳纤维；表面处理；电化学氧化法；引言随着国防科技要求的不断提高，航天航空、军事武器等高科技设备对材料的性能要求的提高，碳纤维复合材料以其耐高温，耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、高比强度等特点被广泛的应用于这些领域。
国外碳纤维材料生产研发较早，现今以日本，美国等国家的生产技术领先于世界。
碳纤维按其加工的先驱体不同可以分为：粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基（PAN）碳纤维。
碳纤维作为一种增强相与金属、陶瓷、树脂等结合使复合材料的性能得到很大提高。
碳纤维表面的活性基团较少，表面光滑，为更好的与基体材料结合，需要在材料复合前对纤维进行一定表面处理。
碳纤维表面处理按当前的研究现状可以分为氧化法和非氧化法。
在此对纤维的生产状况做出一些介绍以及纤维表面处理的各种方法做比较。
1 碳纤维应用领域及国内外生产状况碳纤维复合材料具有卓越的物化性能，被广泛应用于航天航空、国防军事、体育用品、风能发电、石油开采以及医疗器械[1]。
碳纤维被用于制造飞机、航天器、卫星等，因碳纤维的轻质、高强度等特点，飞行器的噪音小，飞行所需的燃料消耗降低。
据有关报道，飞行器每降低1kg的质量，运载飞行器的火箭可以减轻500kg。
航天航空领域碳纤维的使用量从2008年的8200t，到2010年的1万t，预计今年将达到万t。
在飞机的制造中，纤维复合材料应用比例都明显的增加。
碳纤维表面改性研究进展
Keywords: carbon fiber ；coating method ；plasma treatment ；surface grafting method ；surface oxidation method
碳纤维表面化学镀镍工艺的技术分析
碳纤维表面化学镀镍工艺的技术分析碳纤维作为一种全新的高模量和高强度材料，具有与金属镁相当的密度以及良好的导电性能与力学性能，适用于镁基复合材料增强体，可以对复合材料的力学性能进行改善，达到很好的工艺效果。
通常采用碳纤维表面化学镀镍工艺技术，可以借助活化、敏化、粗化等预处理手段，对碳纤维表面的结构与状态加以改变，促进其表面活性的提高。
本文就对碳纤维表面化学镀镍工艺的技术进行分析和探讨。
标签：碳纤维表面；化学镀镍；工艺技术碳纤维具有较强的拉伸模量和抗拉强度、良好的耐热性等，是多种复合材料的增强相，其表面防护层材料的制备工艺及选择方法研究，已经成为复合材料研究的热点问题。
通常基于碳纤维的复合材料具有较小的密度和热膨胀系数、优异的强度和刚性、良好的导电性等，如果复合材料中的碳纤维体积分数达到20%～30%，其体积电阻率会下降10?·cm，而在碳纤维表面镀覆盖金属，可以很好地满足电磁屏蔽及轻质导电等应用要求。
1 实验部分本文在碳纤维表面处理中采用化学镀镍的方式，对镀层性能进行讨论和测试。
首先，原材料。
①碳纤维：σb为3.90GPa，ρ为1.78g/cm3，d为6～8μm，热膨胀系数为-0.41×10-6°C-1（轴向），弹性模量为220GPa。
②化学试剂：氨水、氯化铵、氯化亚锡、次磷酸钠、硫酸镍、柠檬酸钠、盐酸、浓硝酸（65%）、氯化钯。
其次，前处理。
碳纤维表面的状态直接关系到化学镀镍层的质量，即便选用相同的化学镀镍工艺，如果碳纤维表面状态不同，最后获得的镀层性能也会有所不同。
通常化学镀镍工艺具有如下流程：碳纖维表面的粗化—敏化—活化—化学镀镍。
2 正交试验要想达到化学镀镍的最佳工艺条件，设计出正交试验表L16（44），由正交试验中碳纤维化学镀镍层试样可以知道：16个试样的化学镀镍层外观形貌可分为以下几类：①色泽呈暗灰色，试样9～16和5；②色泽层黑色，试样1、3、4、6、7、8；③色泽层亮银白色，试样2。
碳纤维表面处理技术分析
碳纤维表面处理技术分析随着近些年我国工业技术水平的不断提升，当前碳纤维材料的应用变得越来越广泛，且其相关的处理技术，也有这较为迅猛的发展趋势，进一步巩固了碳纤维材料在航空航天、建筑、化工、汽车等领域的应用成效。
为了强化相关人员的认识，本文通过对碳纤维表面处理技术的内容展开分析，希望能够起到一些积极的参考作用。
标签：碳纤维;表面处理;技术分析;探究在工业应用上，由于碳纤维材料具有较小的相对密度，且其比强较高、比模量高、热膨胀系数小等特点，所以其应用效果比着以往的材料更具优越性。
为了更好发挥碳纤维材料的作用，需要对其表面进行有效的处理，降低碳纤维表面的惰性，发挥其高性能的使用特点。
在调查中发现，针对碳纤维这种材料，国内外的表面改性研究都极为活跃，通过提升表面活性，能够强化碳纤维与基体树脂之间的界面性能，进而巩固复合材料层间剪切强度。
1 非氧化法1.1 气相沉积法针对碳纤维表面处理技术的内容，采用气相沉积法，可以对材料界面的黏结性能进行巩固，进一步增强复合材料的层间剪切强度。
在技术应用的过程中，主要可以采取两种方法：一种是对碳纤维材料进行加热，当其温度达到1200℃的时候，再利用相应的混合气体展开处理，甲烷等混合气体，会在碳纤维表面形成无定型碳的涂层，整个材料的剪切强度可以提升两倍;另一种是利用喹啉溶液来进行处理，同时经过干燥程序后，碳纤维复合材料层间的剪切强度能够提升2-3倍。
尽管这种方法能够提升复合材料的界面性能，但是其工艺条件比较苛刻，执行过程中具有一定的危险性，所以在工业化应用上并不是十分的广泛。
1.2 电聚合法在电场力的作用下，电聚合法可以令那些含有活性基团的单体，在碳纤维表面聚合为膜，进而对材料的表面形态、组成进行改善。
在对电聚合法进行应用的时候，主要采用一些热塑性的聚合物，但是由于这些聚合物自身不具备耐高温的性能，所以复合材料的高温层间剪切强度、湿态层间剪切强度，均会出现不同程度的下降。
碳纤维表面处理技术的研究进展新
碳纤维表面处理技术的研究进展摘要：本文主要介绍了碳纤维的特点及碳纤维表面处理常用方法的原理和进展，并详细介绍了纤维表面涂层的方法和复合表面处理方法。
综合各种表面处理技术，了解到复合表面处理将会成为今后研究热点。
关键词：碳纤维表面处理纤维涂层复合处理前言碳纤维是纤维状的碳材料，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。
既有碳材料“硬”的固有本征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性，是新一代军民两用新材料，广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。
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重要作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义[1]。
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，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绮陛能有很大影响。
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[2]。
碳纤维的表面性质也受到其制备工艺的影响，A．Fieldly[3]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，不易被基体树脂所浸润以及发生化学发应，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。
为了改善碳纤维复合材料的界面粘接性能，必须对碳纤维表面进行处理。
表面处理可起到以下3种作用”。
：第一，防止弱界面层(weak boundary layer)的生成。
作为WBL有：①所吸附的杂质、脱模剂等；②界面层老化时形成的氧化层、水合物层等：③与基体的不充分浸润而所束缚的空气层等。
第二，产生适合于粘接的表面形态，使增强材料表面生成凹凸，通过抛锚效应而提高界面粘接性能．但凹凸过多粘接也不好，所以应作适当调整。
碳纤维表面处理方法
碳纤维表面处理方法碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
然而，碳纤维表面的处理对其性能和应用有着至关重要的影响。
本文将介绍几种常见的碳纤维表面处理方法。
1.化学处理碳纤维表面的化学处理方法包括氧化、硝化、酸洗等。
这些方法可以使碳纤维表面产生一层氧化层或硝化层，提高其表面活性和亲水性。
同时，酸洗可以去除碳纤维表面的杂质和残余物，提高其表面的纯度。
2.机械处理碳纤维表面的机械处理方法包括砂纸打磨、切割、磨削等。
这些方法可以去除碳纤维表面的毛刺或不平整部分，提高其表面平整度和光泽度。
同时，机械处理也可以使碳纤维表面更容易进行涂覆或粘接。
3.等离子体处理等离子体处理是一种新兴的碳纤维表面处理方法。
它利用等离子体产生的离子和电磁波对碳纤维表面进行处理，可以使其表面产生化学反应或物理变化。
等离子体处理可以在不改变碳纤维本身结构的情况下改善其表面性质，如增强其表面活性、提高其耐热性、增强其耐候性等。
4.硅化处理硅化处理是一种常用的碳纤维表面处理方法。
它将碳纤维表面涂覆一层硅化物，可以提高其表面硬度和抗磨损性能。
硅化处理还可以改变碳纤维表面的摩擦系数和耐腐蚀性能，提高其应用范围和使用寿命。
5.表面修饰表面修饰是一种较为简单的碳纤维表面处理方法。
它利用化学涂覆或物理吸附的方法，在碳纤维表面涂覆一层表面活性剂或功能化分子。
这些分子可以使碳纤维表面产生特定的化学反应或物理特性，如吸附、催化、防腐等。
碳纤维表面处理是提高碳纤维性能和应用范围的重要手段。
不同的处理方法可以根据不同的应用场景和需求进行选择和组合，以达到最佳效果。
碳纤维表面电镀铜工艺的研究
采用三种电镀液对表面预氧化处理后的碳纤维 法. 本研究过程中发现, 如果单纯采用热空气对碳纤
分别进行电镀铜处理, 三种电镀液的成分如表 1所示: 维进行氧化处理, 当温度低于 400 e 时, 即使较长时
表 1 三种电镀液成分
间加热, 碳纤维表面也没有发生明显变化; 当温度高
编号
成份
分子式
含量 ( g/L)
300
柠檬酸氨 ( NH4 ) 2H C6H 5O 7
20
硫酸铜
C uSO4 # 5H2 O
50
柠檬酸钾
K 3C it
100
3#
酒石酸钾钠 KN aC4H 4O 6
10
硝酸钾
KN O3
12
乳化剂 ( OP- 10)
/
01 4
11213 检测分析 采用 PhilipXL30型扫描电子显微镜对各阶段
制. 相对于热空气氧化法, 单一的浓硝酸液相氧化法 温和均匀, 浸泡 1小时, 纤维表面仅出现很小的刻 蚀. 可见浓硝酸与碳之间的反应轻微, 容易控制, 但 耗时太长. 结合两种方法的各自特点, 本试验采用气 相 - 液相联合氧化法对碳纤维进行预处理. 图 3为 本试验最终氧化处理完的碳纤维表面形貌照片, 碳 纤维表面出现了一定的腐蚀纹理及轻微的腐蚀坑, 且经测试力学性能基本保持. 可见联合氧化法使碳 纤维综合了两种方法的氧化效果, 增加了表面能, 而 且可能引进具有极性或反应性的官能团, 从而有利 于增强纤维与镀层之间的结合力.
碳纤维是 60年代以来迅速发展的新型增强 材料 [ 1] , 具有 低密度、低热膨胀系 数、高比模 量、 良好的自润滑性等一系列优点, 在复合材料领域 里有广泛的应用 [ 2] . 碳纤维增强铜基复合材料更 是综合了铜的良好导电、导热性及碳纤维的优点, 从而具备良好的传导性、减摩耐磨性、耐电弧烧蚀 性和抗熔焊性等一系列优点. 然而碳铜之间既不 润湿也不反应, 直接复合效果很差. 因为复合材料 的综合性能不仅取决于组成材料, 还受到组分之 间界面质量的影响. 因此制备综合性能良好的碳
碳纤维的表面处理技术
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已得到广泛的应用，但由于表面结构的不足，而限制其在复合材料中的部分应用，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，主要包括氧化处理，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[1]。
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。
是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃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有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响[2]。
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。
碳纤维表面改性研究进展
碳纤维表面改性研究进展刘保英;王孝军;杨杰;丁涛【摘要】碳纤维因其优异的综合性能常被用作树脂基体的增强材料。
然而由于碳纤维与树脂基体之间的界面结合性能较差，其增强的复合材料的力学性能往往与理论值相差甚远，因此必须对碳纤维进行表面改性，以提高其与聚合物基体的界面粘结性能。
本文作者综述了国内外关于碳纤维表面改性技术的研究进展，概述了涂层法、氧化法、高能辐射法等改性方法对碳纤维增强复合材料界面强度的改性效果。
%Carbon fiber (CF) has been widely used as a reinforcement of polymer composite due to its excellent comprehensiveperformance .However ,the strength of CF reinforced resin ma‐trix composite is always much lower than the theoretically predicted value due to smooth sur‐face and chemical inertness of c arbon fiber which lead to a poor interface between CF and res‐ins .Thus ,the research on surface modification of carbon fiber is very important in the compos‐ites applications .This article presents an overview of some surface modification methods of CF ,such as coating method ,oxidation process and high‐energy radiation treatment ,and intro‐duces the modified effect of each method on the interfacial strength of carbon fiber reinforced polymer composite .【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】10页(P111-120)【关键词】碳纤维;表面改性;研究进展【作者】刘保英;王孝军;杨杰;丁涛【作者单位】四川大学高分子科学与工程学院，四川成都610065; 河南大学化学化工学院，河南开封475004;四川大学分析测试中心，四川成都 610064;四川大学高分子科学与工程学院，四川成都610065; 四川大学分析测试中心，四川成都610064;河南大学化学化工学院，河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】O64碳纤维(CF)以其高比强度、高比模量、小的线膨胀系数、低密度、耐高温、抗腐蚀、优异的热及电传导性等特点，被称为新材料之王，常用作高性能树脂基复合材料的增强材料，广泛应用于飞机制造、国防军工、汽车、医疗器械、体育器材等方面[1-2].工业化生产的碳纤维按前驱体原料的不同可以分为：聚丙烯腈基(PAN-based)、黏胶基、沥青基碳纤维和气相生长碳纤维[2-6].与另外3种碳纤维相比，PAN基碳纤维生产工艺简单，产品力学性能优异，产量约占全球碳纤维总产量的90%以上[5].自1962年问世以来，PAN基碳纤维取得了长足的发展，成为碳纤维工业生产的主流[7].由于碳纤维原丝表面由大量惰性石墨微晶堆砌而成，所以原丝表面呈非极性[8-9]，表面能小，与树脂基体的浸润性差，界面结合性能差.此外，高性能的碳纤维表面光滑，比表面积小，这也使得纤维与基体之间不能形成有效的机械锚合作用，纤维与树脂基体之间的界面强度下降.因此，必须对碳纤维进行表面改性，以提高其与聚合物基体的界面粘结性能.目前对碳纤维的表面改性主要针对以下3个方面来进行：一是在纤维表面引入羰基、羧基和羟基等活性官能团，提高纤维表面的树脂润湿性和化学键合作用[10]；二是对纤维表面进行刻蚀，提高纤维表面粗糙度，增大纤维比表面积，进而实现与树脂基体之间形成机械互锁结构[11]；三是去除纤维表面的弱界面层.针对碳纤维表面结构特性，研究者提出了很多方法对其进行表面改性，概括起来可以分为涂层法、氧化法、高能辐射处理法等.涂层法主要是在纤维表面形成一种能够与增强纤维和树脂基体发生物理化学作用的，具有一定结构、厚度和剪切强度的中间层，进而实现复合材料的界面增强.针对不同的树脂基体与增强纤维，可以通过表面涂层技术设计不同的涂层结构，因此该处理方法具有较大的灵活性，常见的有上浆剂处理、偶联剂涂覆、聚合物涂层、气相沉积等.碳纤维伸长变形能力小(<2%)，脆性大，在加工卷绕过程中受到反复摩擦和拉伸，纤维易出现毛丝及单丝断裂等现象，进而影响碳纤维的强度和质量.毛丝的存在使基体树脂不能充分润湿碳纤维，在复合材料中易产生孔隙，影响复合材料的力学性能[12]，因此在碳纤维最终成品之前需要对其进行上浆处理.上浆就是在纤维表面涂一层保护胶.浆料在纤维表面形成一层保护膜，把各单丝纤维互相粘合起来，防止相对滑移，并使纤维上伸向各个方向的毛羽贴附在保护膜上，从而使碳纤维的表面光滑，提高碳纤维的力学性能.上浆处理不仅可保护碳纤维的表面，减少单丝及单丝断裂现象，使碳纤维集束，改善深加工性能，而且有研究表明，选择合适的浆料能够有效地改善碳纤维与树脂基体之间的界面粘合性能.碳纤维上浆剂主要有溶液型和乳液型两种[13-14].溶液型上浆剂是将有机树脂如聚乙烯醇、环氧树脂、聚氨酯等溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成的.这类上浆剂溶液的结构与基体树脂的结构相近，从而能够有效地提高树脂的浸润性并达到保护纤维的目的.但该类上浆剂中的溶剂易挥发使树脂残留在导辊上，在对通过的纤维产生更大的损伤的同时又污染了车间环境，因此目前国外常用乳液型上浆剂.乳液型上浆剂是以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂及其他助剂制成的乳液，如聚氨酯树脂型、环氧树脂型、复合树脂型等.这类上浆剂乳液中含有表面活性剂，可以有效提高纤维表面与树脂基体之间的润湿性；且它不易在导辊上残留树脂，无溶剂污染环境的问题，因此目前碳纤维生产线一般都采用乳液型上浆剂.上浆剂是国内外各个碳纤维公司的技术特色，其具体配方一直都是商业机密，相关专利很多，但其他文献报道较少[14-18].目前最常用且研究较为成熟的碳纤维上浆剂是环氧树脂型上浆剂，其能增强树脂基体，且具有优异的化学稳定性、粘结性、热稳定性及高的性价比等优点[19-21].此外针对一些高温热塑性树脂基复合材料如聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)和聚醚醚酮(PEEK)聚酰亚胺(PI)等也开发出了含砜类耐高温上浆剂[22]、多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂上浆剂[23-24]和聚酰亚胺复配环氧树脂上浆剂[25].目前市场上销售的碳纤维通常是表面涂覆有一层上浆剂的改性产品[18,26-28]，而有关市售碳纤维表面上浆剂对复合材料的界面强度的影响的研究结论并不统一.大部分研究表明[29-33]，上浆剂的存在有利于树脂与纤维界面的粘结，能够有效地提高复合材料的界面强度，从而提升材料的机械强度，然而也有部分学者认为上浆剂的存在不利于复合材料界面强度的提升[34-35].DAI等[34]通过微球脱粘(microbond)微观试验方法考察了T300B和T700SC碳纤维表面经丙酮退浆前后碳纤维增强环氧树脂(Epoxy)复合材料的界面强度变化.他们认为退浆处理后复合材料的界面强度要优于未处理的复合材料，上浆剂的存在不利于CF/Epoxy体系界面强度的提高.作者同时认为上浆剂的存在可能会在纤维与基体之间形成弱界面层，从而导致界面在材料破坏过程中提前失效.DILSIZ和WIGHTMAN[35]研究了经Ultem®聚酰亚胺和聚氨酯上浆处理前后Zoltek®碳纤维表面性能以及其与环氧树脂界面的结合强度.作者通过表面能理论及纤维和基体表面酸-碱理论分析认为，上浆剂与树脂基体的相容性决定了纤维与基体之间界面相的形成及其粘结强度.上浆剂的存在降低了纤维表面能，掩盖了酸-碱活性点，上浆后纤维表面羟基减少，纤维表面能降低.纤维断裂实验进一步证实上浆剂的存在使复合材料的界面剪切强度下降.ZHANG等[36]研究了不同分子量的环氧型上浆剂对CF/Epoxy复合材料界面强度的影响，认为只有分子量适当的上浆剂才能提高复合材料的IFSS，分子量太高或太低均导致树脂与纤维界面结合性能变差.YAO等[37]通过microbond试验方法研究了退浆前后T700碳纤维与双马来酰亚胺(BMI)和环氧树脂的界面剪切强度.作者发现上浆剂的存在能够提高CF/Epoxy复合材料的界面强度，但是对CF/BMI的影响则恰恰相反，纤维退浆处理后与BMI的界面结合反而增强.作者认为这主要是源于上浆剂与Epoxy和BMI发生不同程度的反应引起的.偶联剂通常是分子结构中具有两种不同性质官能团的化学物质，能够在树脂基体与增强材料之间形成“分子桥”作用，从而改善有机材料与无机材料之间的界面作用，提高复合材料的性能.硅烷偶联剂是公认的可用于材料表面处理、复合材料界面改性和胶黏剂的高效偶联剂[38]，常作为无机纤维增强或者填料填充聚合物复合材料的界面改性剂[39-40].其作用机理是，硅烷偶联剂首先接触空气中的水分发生水解反应，之后脱水缩合形成低聚物.这种低聚物能够与无机材料表面的羟基形成氢键，进一步受热脱水形成共价键，实现与无机材料的结合.硅烷偶联剂与无机材料的作用是从羟基作用开始的，因此对于表面含有羟基的无机材料如玻纤、二氧化硅等，这类偶联剂的作用效果较好；而对于表面无羟基的无机材料如碳纤维、炭黑、石墨等，其作用效果并不是很好.目前关于偶联剂对纤维增强复合材料的改性研究主要集中在玻纤[41-42]、天然纤维[43]，对碳纤维相关改性研究报道较少.YANG等[44]通过将硅烷偶联剂与环氧树脂直接共混的方法对树脂基体进行改性，制备单取向碳纤维布增强环氧树脂.通过这种方法制备的复合材料的层间剪切强度提高42%，树脂基体对碳纤维的浸润能力提高.龚克等[45]将碳纤维在硅烷偶联剂水溶液中浸泡预处理后与聚四氟乙烯复合研制成型碳纤维增强的聚四氟乙烯复合材料.研究表明，经硅烷偶联剂改性后的碳纤维制备的复合材料的拉伸强度提高30%，抗磨损性能提升3倍.作者认为偶联剂的存在能够与碳纤维表面上浆剂组份中的有效成分形成化学键，进而改善碳纤维与树脂基体之间的界面结合，提高复合材料的机械性能.聚合物涂层是一种通过在碳纤维表面引入化学官能团及改变碳纤维的表面能来提高树脂基体与碳纤维之间的反应性及润湿性的表面处理方法.目前常通过原位化学接枝反应、界面缩聚、等离子体聚合和电化学聚合等方法实现[46-48]，其中电化学聚合法较为常用.电化学聚合法[49]以碳纤维作为电极，电解液由溶解在溶剂中的聚合物单体组成(通常选用带有不饱和键的苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等作为电解液单体).在电场的作用下，这些聚合物单体在碳纤维表面发生聚合反应，形成具有一定厚度、均一、且带有特殊功能基团的聚合物膜.反应过程快速且稳定，可以通过单体选择和电流密度、单体浓度、温度等处理工艺的选择对处理强度进行控制.HUNG等[48]以苯酚、间苯二胺和丙烯酸为单体，通过电化学的方法对碳纤维表面进行改性，在碳纤维与环氧树脂之间形成可控界面，实现对CF/Epoxy复合材料的界面改性.研究表明，经处理后的碳纤维表面引入活性基团如-OH、-NH2、-COOH等，树脂基体在纤维表面的浸润性得到提高，从而使得CF/Epoxy复合材料的横向拉伸强度、纵向拉伸强度及层间剪切强度分别提升50%、64%和135%.该方法可以对界面官能团的引入实现量身定制，为复合材料的高性能化提供了可能. 气相沉积法是在一定温度压力下利用气态物质在纤维表面发生反应产生一层固态沉积物的过程.通过在碳纤维表面沉积一层碳纳米管(CNTs)、硼化物以及碳化物等晶须的方法实现纤维表面改性[50-53]，进而应用于纤维增强复合材料的界面改性中. 碳纳米管(CNTs)是一维纳米材料，质量轻，具有优异的强度、刚度、韧性以及优越的导电和导热性能.将CNTs引入到纤维增强树脂基复合材料中可实现复合材料的多尺度增强，因而也有很多科研工作者试图通过表面沉积碳纳米管的方法对碳纤维表面进行改性处理，进一步改善复合材料的界面粘结性能.THOSTENSON等[52]采用气相化学沉积法直接在碳纤维表面生长CNTs (图1b)，之后将碳纤维与树脂基体复合制备出多尺度CNTs/CF增强的复合材料.碳纳米管与树脂基体在碳纤维周围形成一层纳米复合材料鞘(图1c)，有效地提高了复合材料界面层的剪切模量、屈服强度以及外力在树脂基体与增强纤维界面的传递效率.WICKS[54]采用气相沉积法在氧化铝纤维布上取向生长CNTs，通过CNTs在纤维布与树脂基体界面层形成架桥作用，实现纤维布/环氧复合材料的层内增刚和增韧，其作用机理详见图2.基于一些碳纤维复合材料在高温环境中成型及使用的需要，人们在碳纤维表面涂覆一层能够长期在高温环境下有效保护碳纤维并阻隔其氧化的涂层.最常见的材料就是硅系涂层如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4).这些涂层能够有效地在纤维表面产生一层硅保护层，具有优异的抗氧化性，能够保护高温下碳纤维表面不被攻击破坏，同时还与碳纤维具有一定的相容性.目前有关直接在碳纤维上生长SiC晶须的研究报道较少.MCHENRY等[50]首先在碳纤维表面沉积厚度为0.000 1 in的石墨层，然后采用SiC沉积生长的方法直接在较细的碳纤维上得到SiC晶须.RABOTNOV[55]和KOWBEL[56]等将SiC晶须引入碳纤维/环氧及碳/碳复合材料体系中，复合材料的层间剪切强度提高了200%~300%.作者认为在碳纤维表面均匀生长三维尺度SiC晶须能够增大纤维表面粗糙度及比表面积，提高界面层强度.此外，碳化硅涂层能够在纤维表面产生一层硅保护层，保护高温下碳纤维表面不被攻击破坏，进而提高复合材料的电气绝缘性和环境耐候性[57].纳米尺度的涂层微晶与微米尺度的碳纤维具有一定的相容性，涂层纤维可能嵌入有机或金属基体中形成层内增刚/层间增韧的多尺度增强复合体系[58].氧化法是一种针对碳纤维的表面处理技术，主要有液相氧化法、气相氧化法、阳极氧化法等.液相氧化法通常是将碳纤维浸泡在硝酸[59-60]、硫酸[61]、磷酸[62]、过氧化氢[8]、氨水[63]等具有氧化性的溶剂中进行氧化处理.随着反应时间的增加，纤维表面产生不同浓度的含氧官能团，同时纤维表面的粗糙度及比表面积也因刻蚀而增大.WU等[59]采用HNO3溶液对碳纤维进行氧化处理，研究发现，随着氧化时间的延长CF表面的酸性基团增多；但同时纤维的拉伸强度下降，质量有所损失.作者给出了可能的酸氧化机理(图3).ZHANG等[61]通过X射线能谱及拉曼光谱分析了H2SO4/HNO3对碳纤维表面的氧化机理.作者发现在氧化过程中碳纤维表面出现4个O1s、2个N1s和2个S2p峰.随着处理时间的延长，2个O1s、2个N1s和2个S2p峰消失，产生-COOH基团，且其含量不随其他基团的消失而发生变化.作者认为氧化过程主要是酸攻击碳纤维表面的碳原子，并为碳原子进一步氧化为-COOH做准备，最终碳纤维表面活性基团仅为-COOH.YU等[64]通过K2S2O8/AgNO3溶液组合对PAN基碳纤维表面进行氧化处理，在碳纤维表面引入羧基、羟基等功能基团，使得CF/Epoxy复合材料界面剪切强度提高62.5%.同时，该方法能够有效维持碳纤维表面形貌，避免了其他处理方法对碳纤维表面刻蚀引起的纤维强度破坏，从而能够最终实现复合材料综合性能提高.连续阳极氧化法[65]是将材料作为阳极置于电解质溶液中，利用电解作用对材料表面进行氧化处理的一种方法.阳极氧化过程缓和，反应过程可控，处理效果均匀显著，适合大规模生产应用.LUO等[66]将三维混编T300/PEEK复合纤维纱浸渍于5%的(NH4)2HPO4溶液中煮沸1 h进行阳极氧化处理，之后通过热压成型制备C3-D/PEEK复合材料.所得复合材料的冲击强度和弯曲强度较未经处理直接热压成型的复合材料分别提高25%和10%，断面拔出纤维长度较短且纤维表面残留有大量树脂基体.这些现象表明经预氧化处理后复合材料的界面强度提高.KING等[67]将沥青基和PAN基碳纤维在硫酸铵溶液中进行阳极氧化处理，通过单纤维断裂实验和短悬臂梁剪切实验测得其相应的CF/Epoxy复合材料的界面剪切强度分别提高400%和200%，而复合材料的纵向压缩强度和碳纤维的单丝强度未受氧化处理影响.作者认为复合材料的压缩强度与纤维和树脂基体间的剪切强度大小无关.FUKUNAGA和UEDA[68]揭示了阳极氧化处理对碳纤维表面的改性机理(图4).拉曼光谱分析表明，未处理沥青基碳纤维的表面由化学性质稳定面(基层)和易被氧化面(晶体边缘部分)构成.在表面处理过程中，这些不稳定的表面易被氧化，并沿晶界边缘产生裂缝，对晶体大小无影响.作者认为处理过程中产生的环氧活性基团及裂缝能够提高纤维与树脂基体之间的化学键作用及机械互锁能力，从而有效地提高树脂对纤维的粘附性.气相氧化法主要是通过空气、O2、O3、CO2、SO2等气体对碳纤维表面进行处理，使其表面发生氧化，活性基团增多的一种方法.其中空气氧化法[69]成本低，操作过程简单，无污染，为常用的方法.FUKUNAGA等[70]对比了空气氧化法和阳极氧化法对碳纤维表面改性的效果.经空气氧化法处理及阳极氧化处理的碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度较未处理试样均有明显提升，且空气氧化法处理效果优于阳极氧化法.高能辐射处理的原理是利用高能射线(如电子束、射线、X射线、紫外线等)发出的微粒子或者等离子体轰击纤维的表面，在纤维表面产生化学反应活性自由基或接枝活性官能团，通过在纤维表面与树脂基体间产生化学键合作用，提高树脂基体对碳纤维的润湿性[71].此外，高能射线对碳纤维表面进行适度刻蚀增大了纤维表面粗糙度，提高了纤维与基体界面间的机械锁合力，进而使得复合材料的界面强度得以改善.等离子体[72]是由大量处于基态或激发态的高能带负电荷的电子、带正电的离子及中性的原子、分子等粒子组成的导电介质，是一种具有高内能、高活性的化学物质.等离子体处理可以采用不同类型的气体如氩气、氧气、二氧化碳和水等对处理材料产生独特的表面性质.MONTES-MORN等[73]研究了氧等离子体处理对高模量沥青基碳纤维及高强度PAN基碳纤维表面结构组成及单丝强度的影响.通过纤维断裂实验结果表明，经等离子体氧化处理后碳纤维与聚碳酸酯树脂的界面剪切强度有明显提升，而纤维强度变化不大.作者认为等离子体处理能够在纤维表面产生所需活性基团的同时不损伤纤维自身的强度，因而这种处理方法具有商业应用前景.DILSIZ等[74]考察了烯丙基氰和二甲苯/空气/氩气氛围等离子体处理对碳纤维表面形貌、单丝强度及其与环氧树脂界面剪切强度的影响.研究表明，经等离子体处理后，CF单丝强度提高，断裂伸长率提高15%，其相应的CF/Epoxy复合材料的层间剪切强度和弯曲强度均有9%的提高.作者认为这是由于经等离子体沉积后碳纤维表面形成一层高分子膜，能够有效地填充纤维表面的裂缝和缺陷，进而提高了纤维的单丝强度.FUKUNAGA等[75]揭示了氧气或氩气等离子体处理与电化学氧化法对沥青基超高模量碳纤维表面改性机理.作者认为，未处理的碳纤维表面大量石墨片层的存在使得环氧树脂对纤维表面的润湿性较差(图5a).经阳极氧化法处理的碳纤维选择性在晶界处发生氧化反应，纤维表面的晶体尺寸没有变化，刻蚀作用仅发生在纤维晶界间，进而实现与树脂基体强有力的结合(图5b).而经氧等离子体处理的碳纤维，纤维表面层被刻蚀除去，晶体尺寸由13.2 nm下降到4.4 nm，基层中的芳环结构被破坏(图5c).因此，等离子体处理能够极大程度的增加纤维表面的活性点，进而提高树脂基体在碳纤维上的附着力.LI等[76]通过Co60γ射线对PAN基CF进行辐照处理.图6给出了所用设备、处理过程及纤维表面接枝反应示意图.研究表明，经辐照处理后纤维表面含氧极性基团增多，纤维表面粗糙度增加，与树脂之间的化学键作用力及机械锁合作用增强，进而实现对复合材料界面粘结性能的改善；而过度辐照处理会使CF表面粗糙度降低，不利于纤维与树脂间界面粘结性能的进一步提升.但是高能辐照处理效果有一定的时效性[77-79] ，且处理设备价格昂贵，对环境要求较高，因此这类处理方法的工业应用受到限制.综上所述，碳纤维因其综合性能优异，是增强聚合物基复合材料的理想材料.然而由于树脂基体对碳纤维表面的润湿性较差，因此形成的复合材料的界面结合性能较差，其增强复合材料的力学性能与理论值相去甚远.通过碳纤维表面改性的方法可以改善纤维与树脂基体的界面粘结强度，从而改善复合材料的综合力学性能.目前关于碳纤维的改性研究主要是通过在碳纤维表面引入极性基团或接枝聚合物来改变纤维比表面积，提高纤维表面树脂的润湿性能，进而达到改善纤维与树脂基体之间的界面性能，提高复合材料的力学性能的目的.所涉及到的改性方法很多，如涂层法、氧化法、高能辐射处理等，每种方法对复合材料界面性能的改善都有一定的效果和适用性.然而，目前这些改性方法的研究还处于理论和实验室研究阶段，尚需开展更深入和广泛的工作将其应用于工业生产过程，以拓宽碳纤维增强复合材料在更多领域的应用.【相关文献】[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社,2004.[2] CHAND S.Review carbon fibers for composites [J].J Mater Sci,2000,35(6):1303-1313.[3] DONNET J B,WANT T K,PENG J C M,et al.Carbon fibers [M].3rd ed.Manhattan:Marcel Dekker Inc,1998.[4] BUCKLEY J D,EDIE D D.Carbon-carbon materials and composites [M].New York:William Andrew Publishing,1993.[5] GUPTA A,HARRISON I R.New aspects in the oxidative stabilization of PAN-based carbon fibers [J].Carbon,1996,34(11):1427-1445.[6] DARMSTADT H,SÜMMCHEN L,TING J M,et al.Effects of surface treatment on the bulk chemistry and structure of vapor grown carbon fibers [J].Carbon,1997,35(10):1581-1585.[7] 马刚峰,李峰,徐泽夕,等.聚丙烯腈基碳纤维研究进展[J].现代纺织技术,2011(3):58-60.[8] GUO H,HUANG Y D,MENG L H,et al.Interface property of carbon fibers/epoxy resin composite improved by hydrogen peroxide in supercritical water [J].MaterLett,2009,63(17):1531-1534.[9] FITZER E,GEIGL K-H,HÜTTNER W,et al.Chemical interactions between the carbon fibre surface and epoxy resins [J].Carbon,1980,18(6):389-393.。
纤维表面处理
碳纤维表面氧化处理方法简介摘要：简单介绍目前可用的碳纤维表面处理方法，对每种方法的实用性及优缺点作简单对比。
对碳纤维表面处理有重要作用：提高碳纤维表面与树脂的反应活性；增加碳纤维与树脂基体的粘接强度；改变碳纤维表面的物理化学形态；调节复合材料的界面相容性。
碳纤维的表面处理方法很多，其中，在工业生产碳纤维上到到实际应用的主要有阳极电解氧化法和气相氧化法。
等离子氧化刻蚀法、液相氧化法主要用于间歇处理和机理研究。
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、臭氧等)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碳纤维增强塑料CFRP的弯曲强度，弯曲模量，界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(IISS)等力学性能均可得到有效提高，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。
贺福等用O3 氧化法对碳纤维的表面进行氧化处理，使碳纤维复合材料(CFRP) 的层间剪切强度提高了40 %～76 % ，他们将原因归于纤维表面的化学官能团和比表面积的增加，而物理的“锚锭效应”是次要的。
W. H. Lee 等[2]将碳纤维在氧气与氮气的混合气体中进行氧化处理,发现氧化处理的纤维和未处理的纤维表面最大的区别是处理后的纤维表面有较多的羰基。
氧化处理的纤维增强的复合材料，其剪切强度比未处理的提高了69 % ,因此他们也将原因主要归于纤维表面官能团的改变，认为羰基在纤维与树脂的界面处起到了改善界面结合强度的作用，从而改善了复合材料的性能。
气相氧化法与其它方法比较，显著的优点是设备和工艺简单，成本低，氧化性气体可用空气、氧气、臭氧、二氧化碳和水蒸气等。
其中，臭氧氧化法的工艺参数易于控制，处理效果显著，已得到实际应用。
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。
碳纤维的表面处理方法及作用效果
碳纤维的表面处理方法及作用效果碳纤维的表面处理方法有多种，包括表面清洁处理、气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、表面涂层法、表面沉积元机物、电聚合处理以及冷等离子处理。
这些方法的作用效果如下：1. 表面清洁处理：碳纤维表面易吸附水分及有机污染物，影响与基体的结合。
通过在惰性气体保护下加热到一定高温并保温一定时间，可以清除吸附水，净化表面，从而提高纤维与基体的结合强度。
2. 气相氧化法：在加热下用空气、氧气、CO2、臭氧等处理碳纤维，处理后CF比表面积和表面粗糙度增加，使表面产生胺基、羟基、羰基等含氧极性基团，有利于碳纤维与基体树脂界面结合，从而提高CF增强复合材料的综合力学性能。
3. 液相氧化法：以浓HNO3、H3PO4、HClO、KMnO4、NaClO等氧化剂与CF长时间接触，在纤维表面形成羧基、羟基等基团，增强与树脂的结合力。
4. 阳极氧化法：对碳纤维进行阳极氧化表面处理后，碳纤维的浸润性有一定程度的增强，碳纤维与水的接触角也有一定程度的降低；碳纤维强度出现了一定程度的下降，强度离散性也略有增大。
5. 表面涂层法：碳纤维表面涂层的制备不仅能够提高碳纤维抗氧化性，也是提高碳纤维与基体润湿性，改善复合材料界面结构性能的主要方法。
6. 表面沉积元机物：通过在碳纤维表面镀覆一层金属或金属化合物膜能够改善纤维与基体间的界面结合，优化界面，充分发挥碳纤维增强体在复合材料中的作用。
7. 电聚合处理：通过电化学处理后能够形成较为均匀的聚合物层，形成的环氧树脂复合材料断面较为平整，纤维拔出量少。
8. 冷等离子处理：用放电、高频电磁振荡、冲击波及高能辐射等方法使惰性气体或含氧气体产生等离子体，对材料的表面进行处理。
低温等离子体技术是20世纪60年代出现的一种新的材料表面处理技术。
具有节能、无公害、处理时间短、效率高以及能满足环境保护要求等优点。
总的来说，这些方法的作用效果主要体现在提高碳纤维的表面粗糙度、极性、润湿性以及与基体的结合强度等方面。
碳纤维表面打磨方法
碳纤维表面打磨方法碳纤维是一种轻质、高强度、耐腐蚀的材料，在航空航天、汽车和运动器材等领域具有广泛的应用。
为了使碳纤维的外观更加光滑、美观，通常需要进行表面打磨。
下面介绍一些碳纤维表面打磨的方法。
方法一：手工打磨手工打磨是最基本的打磨方法，适用于较小的碳纤维零件或表面面积不大的碳纤维板材。
打磨时需要使用砂纸或磨纸轮，先用较粗的砂纸或磨纸轮进行初步打磨，然后逐渐转换到较细的砂纸或磨纸轮进行细致的打磨。
打磨时要保持手工稳定，力度均匀，避免在碳纤维表面留下凹陷或凸起。
方法二：机械打磨机械打磨使用专业的打磨设备，既能提高效率，又能保证打磨的质量。
常用的机械打磨设备包括研磨机、抛光机和砂光机等。
其中，研磨机适用于初步打磨，抛光机适用于细致打磨，砂光机适用于对大面积碳纤维板材进行打磨。
在使用机械打磨时，需要根据碳纤维的特性以及要求的表面质量选择合适的打磨工具和打磨参数，以避免对碳纤维造成损害。
方法三：化学处理化学处理是一种专业的碳纤维表面处理方法，可以有效地消除碳纤维表面的污垢和瑕疵，并使其表面更加光滑。
常用的化学处理方法包括电化学抛光、酸洗、硝酸处理等。
在进行化学处理前，需要了解碳纤维的化学性质以及要求的表面处理效果，以避免对碳纤维造成化学损害或表面毁坏。
需要注意的是，无论采用哪种碳纤维表面打磨方法，都需要严格控制打磨力度和打磨持续时间，以免对碳纤维造成损坏或影响碳纤维的性能。
同时，在进行碳纤维表面打磨时，还需要遵循相关的安全操作规程，戴好手套、口罩、防护眼镜等安全防护措施，以保障人身安全和健康。
总之，碳纤维表面打磨是一项需要专业技术和经验的技术活，需要根据不同打磨材料和要求，选择合适的打磨方法和工具，并掌握正确的打磨技巧和安全操作规程，才能实现理想的打磨效果。
碳纤维喷光油工艺
碳纤维喷光油工艺碳纤维喷光油工艺是一种常见的表面处理技术，能够为碳纤维制品赋予出色的外观和性能。
本文将从人类视角出发，描绘碳纤维喷光油工艺的过程和效果，以及对碳纤维制品的影响。
让我们来了解碳纤维喷光油工艺的具体步骤。
在这个过程中，技术人员会首先准备好需要喷光油处理的碳纤维制品。
然后，他们会将喷光油均匀地喷涂在制品表面，确保每一个角落都得到充分的覆盖。
喷涂完成后，制品会被放置在恰当的环境中进行干燥。
一旦干燥完成，碳纤维制品就会展现出光亮、平滑且有质感的外观。
碳纤维喷光油工艺不仅能够提升碳纤维制品的外观，还能增强其耐磨性和耐腐蚀性。
喷光油能够形成一层坚硬的保护膜，有效地防止外界因素对碳纤维制品的侵蚀。
同时，喷光油还能使碳纤维制品更易清洁，保持长久的亮度和光泽。
除了外观和性能的提升，碳纤维喷光油工艺还带来了一种高级感和现代感。
碳纤维制品经过喷光油处理后，不仅仅是一件实用的物品，更是一件艺术品。
它们的外观变得更加细腻，触感更加舒适，给人一种高贵、时尚的感觉。
碳纤维喷光油工艺在汽车、航空航天、体育器材等领域得到了广泛的应用。
在汽车制造业中，碳纤维喷光油处理的零部件能够增加整车的质感和品质感，提升消费者的购买欲望。
在航空航天领域，碳纤维喷光油处理的飞机部件能够降低飞机重量，提高燃油效率，同时也赋予飞机更为现代和科技感的外观。
在体育器材领域，碳纤维喷光油处理的球拍、网球拍等器材不仅轻便耐用，还能增加运动员的自信心和赛场上的竞争力。
碳纤维喷光油工艺是一项重要的表面处理技术，它通过喷涂均匀的光油，使碳纤维制品展现出优美的外观和卓越的性能。
这种工艺不仅提升了碳纤维制品的质感和品质感，还赋予了它们一种高级感和现代感。
碳纤维喷光油工艺在各个领域得到广泛应用，为汽车、航空航天、体育器材等行业带来了巨大的发展机遇。
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２ 实验 讨 论
２１ 实验结果（ ． 见表 １ 和表 ２ ）
表 １ 碳 纤维 表面 处理 试验 数据
Ｌ－ ￣ａ电量 ：５ ～ ０ ／碳纤维 ｔ ０ ２０Ｃｇ 丝束运行速度 ：０３ ／ ｉ ． ｍｍｎ ５
、
，
都 是在 碳 纤 维 表 面 发生
由于 碳 纤 维 表 面 有很 多 空 隙 对 制 成 碳 纤 维 复合材料 (~ F a 影响 的氮
。
凹槽
、
杂质等
一
，
、
，
增 加其 表 面 形 态 的复杂化
P
，
) 的质量 带来 很大
和 极 性 基 团 的含 量 界面性能 终 目的
。
，
从 而 提 高碳 纤 维 与 基 体树脂 的
１ 实 验 思路 ． １
将 上述经液相氧化＋ 阳极氧化复合表 面处理 后
的聚丙烯腈基碳纤 维 ，加 ｓ捻 ，１０ ｍ，然后将 ０ 捻／ ４ 根并 合 ，加 ｚ捻 ，１０捻， ０ ｍ，制成碳纤 维线 。将
碳纤 维线浸 渍于 聚氨 基 甲酸 乙酯一 甲基乙酮溶 液
采用液相氧化＋ 阳极氧化 的复合表 面处 理法对
分 析 碳纤 维 的 化 学 组 成
其 主 要 由碳 和 少 量
不利于
以 实现 提 高复 合材 料 整 体 力 学性 能为 最
[2 1
、
氧
、
氢等元 素 组 成
、
。
未 经 表 面 处 理 的碳 纤 维
，
其表 面 羟基
羰 基 等极 性 基 团 的含 量很 少
。
常 用 的碳 纤 维 表 面 处 理 方 法
着重要作 用
，
改善碳纤 维 与基 体 树脂 之 间 的 粘结 强 度 碳 纤 维 的优 异 力 学 性 能
系列物 理
化 学反 应
，
一
充分发挥
。
对 我 国产 业 结构 的调 整 和 传 统 材料 的
【 】 】
。
，
直 是 人 们关 注 的 问题
更 新换 代也 有 重要 意 义
目前常 用 的 表 面 处 理 方法
力及断裂 伸长试验方法） （ ＢＴ １３ ７ １９ ）测 ） Ｇ ／ ４ ３ － ９３
原料 ：硝酸 聚氨基 甲酸乙酯 、甲基 乙酮。
试 ，通过换算 （ 断面积 ＝ 度， 纤 密度 ，拉 伸强度＝ 断 裂强力， 断面积）得 到结果 。 复合线 强度测 试方 法参 照 《 化学纤 维轮 胎帘 子 线试验 方 法》 （ Ｓ Ｌ １１） 测试 ，通过换 算 Ｊ — 一０７ Ｉ
—
～
法对 碳 纤维进 行表 面 氧化处 理 试验 维 与基 体树 脂 的结 合性 能
，
，
以期 改善碳纤
。
，
．
技 术 和 新 产 品 开发 研
究工
作
。
实现 提 高碳 纤维 复合材
合成 纤 维 S F C
2008
No 1 1 1 7
．
研 究 论 文
料整体力学性能的 目的。
１ 浸渍方法 ． ６
１ 实验
碳纤维进行表面氧化处理 ，测定强度变化情况 。然 后将表 面处理 后的碳 纤维加捻 、并合 、再加捻后 ，
浸渍于热塑性 聚氨脂树脂中 ，经干燥 ，制 成附着 量
中 ，经干燥 ，制成 附着 量约 为 ５％的碳 纤维 复合
线 ，测试碳纤维复合线强度 。同时用未经表面处理 的碳纤维 ，在 同样条件下浸渍于聚氨基 甲酸乙酯一 甲基 乙酮溶液 中，经干燥 ，制成附着量约为 ５％的 碳 纤维复合线 ，测试碳纤维复合线强度作对比。
处理 法
，
与基 体树 脂 的 粘 结 性 能 差
。
先 后 或 同时对 碳纤 维 进 行表面 处 理
。
，
称之
的 偏轴强 度较低
—
特 别是 碳 纤维 自身 的机 械 强 度较
—
为复 合表 面 处 理 法
本 文 采 用 液 相 氧 化 十 阳 极 氧 化 的 复合表 面 处 理
收稿 日期 ： 20 0 8 0 7 0 4 修 回 日 期 ： 2 0 0 8 0 9 2 6 作者简 介 ： 钱 水 林 ( 1 9 5 7 ) 男 高级 工 程 师 长 期 从 事腈 纶 生 产
性 维
。
“
，
并 且 具 有 耐 腐蚀
”
高模 量 的特
因此
改善 碳纤维 的表 面性 能 已 成 为提 高碳纤维 复
。
既 有碳材料
“
硬
的 固 有本 征
，
，
又 兼 备纺 织 纤
，
合材 料 品 质 的 关键
不 同而 不 同
柔
”
的可 加 工 性
、
是新
、
一
代 军 民 两 用新 材 料
、
碳 纤 维 复合 材 料 的 强 度 随 着 粘 合树脂 的 种类
（ 断面积＝ 纤度／ 密度 ，拉伸强度 ＝ 断裂 强力／ 断面积） 得到结果。
日本进口 未经表面处理的聚丙烯腈基碳纤维 ，
产 品型号 Ｂ ｓｇｔ ０ ５０，规格 １ ｅ ｈ ＠３ — ０ ｉ ｆ ２Ｋ。 １３ 表面 处理工艺条件 － 溶液 ：硝酸水溶液
浓度 ：５％ （ 当量浓 度） 浸渍长度 ：０ ．ｍ ５
，
广泛 应用 于 航空 疗
、
航天
交通
。
体 育休 闲用 品
、
医
即 碳 纤 维 复合材料 对 粘合树 脂有较 大
机械
、
纺织 等各领 域
碳 纤 维 产 业 在 发 达 国家
的依赖 倾 向
。
因而
，
对 碳 纤 维 进 行表 面 改 性 处 理
，
，
支柱产业 升 级 乃 至 国 民 经 济整 体 素质 提高方 面 发 挥
１ 强度测试方法 ． ７
约为 ５％的碳纤维复合 线。同时 ，用未经表 面处理 的碳纤维 ， 同样条件下浸渍于热 塑性聚氨脂树脂 在
中，然后 干燥 ，制成树脂附着量约为 ５％的碳纤维
复合线 ，对比两种碳纤维复合线的强度 。
１ 实验材料 ． ２
单 纤强度 测试 方法 参照 《 合成短纤 维断裂 强
研 究 论 文
碳纤 维 表 面处 理 技术探 讨
钱水 林 ( 中 国 石 化 上 海 石 油 化 工 股 份 有 限 公 司 生 产部
．
，
上海 200 540 )
碳 纤维 是纤维 状 的 碳材料
，
密度 比 金 属 铝 低
、
，
高
，
但 其机 械 强 度 在 复合 材料 中未 得 到充分 体 现
，
。
但强 度却 高于 钢铁
法
、
有 ： 气相 氧化
、
其与基 体 树脂 的粘结 其表面 呈 化 学惰性
学反 应
， ，
碳 纤维 的类 石 墨 结构决定 了
表现 为
CF R P
液 相 氧化 法
、
阳 极 氧化 法
。Байду номын сангаас
、
等离 子 体 氧化 法
不 易被 基 体树脂 浸 润及 发 生化
，
表 面 涂层 改 性 法 等 也 有采 用 两 种或 两 种 以上 表面