碳纤维的表面改性
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。
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。
碳纤维的表面处理
碳纤维的表面处理（Carbon fibre surface treatment）作者(writer）:夏杨(Xia Yang)摘要(Abstract）：碳纤维是制备高性能纤维增强复合材料的一种主要的增强纤维。
通过对碳纤维进行适当的表面预处理，有利于形成其与基体间的有效界面,实现两者间载荷的传递，充分发挥碳纤维的增强效应，从而有效提高复台材料的力学性能及耐高温性能。
本文阐述了碳纤维表面处理的作用和目的，较详细地介绍了几种常用的碳纤维表面处理工艺及其机理，为在橡胶基复合材料制备过程中确定碳纤维的高效表面处理方法奠定了基础，对新型高性价比碳纡维增强橡胶基复合材料的开发具有重要意义。
关键词(keywords）：碳纤维表面处理正文(Text)：在过程工业中,设备、管道等的密封问题一直受到人们的关注.泄漏一旦发生。
轻则浪费原材料和能源,重则造成严重的经挤损失和环境污染。
甚至酿成重大人身伤害事故.密封装置的密封能力主要取决于密封材料和元件的性能。
长期以来,石棉橡胶板作为一种常用密封材料广泛应用于各行各业。
然而，由于石棉是一种公认的致癌物质，近年来，西方许多发达国家相继开始禁用石棉制品。
因此寻求适用的非石棉纤维替代石棉纤维，研制高性价比的非石棉纤维增强密封复合材料，成为当前密封研究领域的一个热点ｏ“３。
碳纤维是近代发展起来的一种增强材料，具有高比强度和高比模量以及较高的抗蠕变性能“１５３且耐疲劳、耐腐蚀，已成为最重要的增强材料之一＋广泛应用于制备纤维增强树脂基材料“１。
在密封技术领域，近年来。
碳纤维也逐渐成为开发耐高温橡胶基密封材料的首选增强纤维”“…。
但是，碳纤维的表面情性大，姥乏有化学活性的宵能团，与基体的浸润性茬，往往导致其与基体的界面结合强度低，影响复合材料性能的提高，限制了材料在严苛工况下的使用.因此对碳纤维进行适当的表面预处理，对于形成与橡胶基体间的有效界面结合、实现基体和纤维间载荷的传递、充分发挥碳纤维的增强效应和提高复台材料的力学性能及耐高温性能具有重要的意义.１碳纤维表面处理的目的纤维增强复合材料的性能，主要取决于增强纤维和基体材料以及两者之间的结合界面性能““。
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。
碳纤维表面处理及其复合材料性能研究
2020年01月碳纤维表面处理及其复合材料性能研究张安花（厦门新凯复材科技有限公司，福建厦门361021）摘要：碳纤维具有耐高温、导电、导热、耐腐蚀等性能，可制作成各种复合材料产品，应用于不同领域中。
为提升航空复合材料强度，研究使用浓硝酸、浓硝酸超声处理碳纤维表面，经处理会影响碳纤维表面的微结构、表面化学组成，达到增强复合材料性能效果。
关键词：碳纤维；表面处理；复合材料性能碳纤维主要和树脂等材料复合，具有增强作用，可制造出更先进的复合材料。
但因类石墨结构其表面存在一定化学惰性，很难浸润树脂及化学反应，表面难与树脂结合，进而影响复合材料强度。
故需改变碳纤维表面性质，以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化，进而更容易浸润和发生化学反应，使复合材料界面更紧密连接而增加强度。
通常采用偶联剂涂层法、氧化法、等离子等处理方法.在航空领域因耐燃效果需求高使用酚醛树脂，而市面上的碳纤维较少有偶联剂涂层适用酚醛树脂，本文研究液相氧化法与超声协同处理碳纤维表面，达到增加酚醛树脂碳纤维复合材料强度。
1实验方法1.1碳纤维表面处理方法（1）碳纤维表面的上浆剂脱除选用PAN 基碳纤维，型号为Toray T700，使用乙醇/丙酮进行回流处理，其体积比为1:1，处理时间为48h ，将碳纤维表面的上浆剂(即偶合剂)脱除（2）脱浆后碳纤维再进行表面处理处理方法有两种:第一，在浓硝酸中浸泡，温度为60℃，处理时间为2h ；第二，浓硝酸超声处理2h ，浓度为65%，250E II 型超声波，功率和频率分别为250W 和40kHz 。
所有处理工作的结束后，去离子水清洗碳纤维，使其为中性，再在真空中烘干，温度为80℃，直到碳纤维恒重量为止。
1.2复合材料制备采用碳纤维与PF475酚醛树脂制成复合材料预浸布，酚醛树脂与异丙醇制成固成份70%的树脂，使用缠绕法进行制作预浸材，制成纤维含量FAW 100g/m 2，树脂含量RC%37%，用55度将溶剂烘烤至VC%1%以下的预浸材，再将预浸材进行积层堆叠成试片，采用成型温度160度，时间50min 进行加压固化，制成2mm 厚度复材试片。
碳纤维表面改性
碳纤维表面处理改性
3 .碳纤维的表面处理 3.1 氧化处理 3.1.1 气相氧化法(图右为氧化示意图) 气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧 气体。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团 增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的 力学性能。如把碳纤维在４５０℃下空气中氧化１ ０min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度 都有提高；采用浓度０．５～１５ｍｇ／Ｌ的臭氧 连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理， 经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达７ ８．４～１０５．８ＭＰａ；
３．２．3聚合物涂层 碳纤维经表面处理后，再使其表面附着薄层
聚合物，这就是所谓的上浆处理。这层涂覆 层即保护了碳纤维表面，同时又提高了纤维 对基体的浸润性。
３．２．4表面生成晶须法 在碳纤维表面，通过化学气相沉积生成碳化硅、硼 化金属、二氧化钛、硼氢化合物等晶须，能明显提 高复合材料的层间剪切强度，并且晶须质量只占纤 维的０．５％ ～４％，晶须含量在３％～４％时 层间性能达到最大。生长晶须的过程包括成核过程 以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶 的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果，但因费 用昂贵、难以精确处理，故工业上无法采用。
碳纤维表面改性
1121416028
一.定义 二.碳纤维表面结构 三.碳纤维的表面处理 1 氧化处理 2 表面电聚合 3 聚合物涂层 4 表面生成晶须法 5 等离子体处理 四.展望
碳纤维
定义 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理 而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结 构类似人造石墨，是乱层石墨结构，是一 种力学性能优异的新材料 。 碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ） 由于具有密度小、比强度高、比模量高、 热膨胀系数小等一系列优异特性，在航天 器结构上已得到广泛的应用。其中碳纤维 是增强体，为主要的承力结构，树脂基体 起连接纤维和传递载荷的作用。
不同方法表面改性碳纤维对复合摩擦材料性能的影响
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ３ ７， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｈｕ ａ ｑ ｉ ａ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ， Ｈａ ｉ ｙ ａ ｎ Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ３ １ ４ ３ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
不 同方 法表 面 改性 碳 纤 维 对 复 合摩 擦材 料 性 能 的 影 响
李 张义 胡以强 陈加云 金
（ １ ．华东理工大学机械 与动 力工程学院
鑫
浙江海盐 ３ １ ４ ３ ０ ０ ）
上海 ２ ０ ０ ２ ３ ７ ；２ ．华强树脂有 限公司
摘 要 ：采用 气 相 、液 相 以及气 液 相 相 结合 的方 法 对碳 纤 维 进 行 表 面 处 理 ，对碳 纤 维 的 表 面 形 貌 进 行 观 察 ；制 备 碳 纤 维 增 强硼 改 性 树 脂基 摩 擦 材料 ，研 究碳 纤 维 表 面 处 理方 法 对 复合 材 料 摩擦 磨 损 性 能 的影 响 。结 果 表 明 ：不 同碳 纤 维 表 面处 理 方法 均 增 大 了碳 纤 维 的表 面粗 糙度 ，有 利 于碳 纤 维 与 基体 的 紧密 结 合 ；对 碳纤 维进 行 ４ ５ ０ ℃ 、５ ｈ气 相 处 理 然 后 随 炉 冷 却 的表 面 处 理效 果 最 好 ，该 方 法 改性 得 到 的碳 纤 维 可 以代 替 铜 纤 维来 增 强 复合 摩 擦 材料 。 关 键 词 ：表 面 处 理 ；碳 纤 维 ；摩 擦 磨 损性 能
碳纤维表面改性
采用溶液聚合的方法，CF+溶剂+单体+引发剂
选择的接枝单体有： 一、胺类 1、苯胺 OCF+苯胺+盐酸 2、1，6-己二胺 引发剂过硫酸胺
表面接枝有聚合物的CF
表面包覆有聚苯胺的短碳纤维
利用氯化亚砜将碳纤维氧化处理产生的羧基转化为酰氯，进一步与1，6己二胺发生亲核取代反应，在碳纤维表面上接枝胺基。 3、对胺基苯甲酸
粘胶基
沥青基 木质素纤维基
高模量CF
超高强CF
其他有机纤维 基
高性能CF
超高模CF
高强－高模CF
中强－中模CF 等
三、碳纤维的制备：
粘胶基具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理
四、碳纤维的性能及用途：
炭纤维具有很多优良的性能：强度高、模量高、密度小，耐高温、耐低温性 能好，耐酸性能好，热膨胀系数小，导热系数大、导电性能好，防原子辐射、 能使中子减速，生物相容性好等。 此外, 炭纤维兼备纺织纤维的柔软可加工性，易于复合、设计自由度大，可进 行多种设计，以满足不同产品的性能与要求 。 碳纤维很少直接使用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料。应用碳纤维 后可以大大提高产品强度、减轻结构质量、延长使用寿命和增加安全可靠性，因 此，从国防军工到民用工业，包括航空航天、清洁能源、土木建筑、交通运输等 领域，碳纤维复合材料都获得进一步的应用。做复合材料时基体可以是树脂、陶 瓷、橡胶、金属等。
2、皮芯层结构
CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。 皮层：微晶较大，排列有序。 芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。
碳纤维材料的产品有四种形式：丝腈基 按原 丝类 型分 类
通用级CF：拉伸强度<1.4GPa， 拉伸模量<140GPa 高强度CF 按碳纤维 性能分类
碳纤维的表面处理与成纸导电性能
粘结性能、润湿性能，也提高碳 纤维的化学稳定性。
屏蔽材料对电磁波进行屏蔽隔
碳纤维密度小，质量轻，导
解决碳纤维的分散性和结
离和损耗，是减轻电磁辐射污染
电性好，呈非磁性，具有屏蔽电
合性问题一般从以下几方面着
的有效途径。电磁波屏蔽的效能 （SE）是 由 吸 收 损 耗（A）、反 射 损 耗（R）和多次反射损耗（B）三部 分构成，即：SE=A+R+B (dB)
图 4 CPAM 对导电纸强度的影响 选用 CPAM 作为分散剂，考
察不同用量对碳纤维导电纸的 强度的影响。由图 4 分析可知： CPAM 用量 0.6%时纸张的抗张 指数和撕裂指数均最高，因此， 可以选择该用量为最佳值，进行 后续试验。 3.3 碳纤维比例的影响
为比较碳纤维配比对成纸 物理强度和导电性的影响，分别 加入碳纤维 1%、5%、10%、20% 至 50%，检测纸张的抗张指数、 撕裂指数和电阻。
由图 5 可知，碳纤维纸的抗 张指数随碳纤维含量的增加呈现 先增加后下降的趋势。碳纤维 含量小于 10％时，随着碳纤维含 量的提高，导电纸的抗张指数 由 29.51 N·m·g -1 提 高 至 33.04 N·m·g-1；当碳纤维含量大于 10％ 时，随碳纤维含量的增加抗张指 数开始下降。纸张的强度来源于 纤维间的结合力和纤维本身的 强度。碳纤维的物理强度显著高 于植物纤维，与植物纤维之间能 形成极少量的化学键合，当加入 少量的碳纤维时对纸张有增强 效果。但大量加入碳纤维后，阻 碍了纤维间的氢键结合，导致抗 张强度下降。这种现象在其他复 合纤维纸中也有类似现象。撕裂 指数表现出同样的趋势，但拐点 出现在碳纤维含量 30%时。
应基团，但这些活性基团数量极
辐射水平迅速增加，电磁波污染 引起的电磁干扰与电磁兼容问 题日益严重。电磁辐射会影响电 子设备的正常使用，造成信息的 泄露，对人们的健康带来危害[1]。
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。
非氧化法处理碳纤维表面改性的研究进展
２ ． １ 气相沉积法 （ Ｃ Ｖ Ｄ ） 气相沉积是 利用气 态 物质在 一定 的 温度 、 压 力 条
钱春香 口 认为在对碳纤维进 行偶联 剂涂层处 理之 前， 碳纤维 的表 面含有 一定 量 的羧 基和 羟基 对碳纤 维
的力学性能有一 定 的作 用 。Ｍ． Ｈ． ｃ ｈ ０ ｉ 等【 ４ Ｊ 先对碳 纤 维进行硝酸氧化处理 ， 后进行 偶联 剂涂层 处理 ， 试 验发
须生长法 、 催化法及等离子体法 等非氧化法处理碳纤维表 面改性技术 的研究进展 ， 并 简要 阐述 了各方法的优缺点 ， 着重介绍 了等离子体处理碳纤维 ， 希望 能为改性碳纤 维提供一 些
帮助 。
关键词 ： 非氧化 法 碳纤维
１ 前 言
表面改性 合材料层间剪切度可 提高 ２ ． ７倍 。还 可 以用 羧基铁
现： 碳纤维增强复合材料 的弯 曲强度 最高 ， 且改 善了碳
纤维与树脂 之间的界 面结 合性 。刘 玉文等 先对碳 纤 维进行 阳极 预氧化 处理 ， 再 对碳 纤 维进 行硅 烷偶联 剂
涂层处理 ， 这样增加纤维表面 的羟基 数量 ， 使其表 面与
偶联剂进行共 价键合 的活 性 点增 加 提 高纤 维 与树 脂 界 面黏接 强 度 。Ｎ ｏ ｉ ｆ ｏ １ ｗ ａ ｓ ｈ ｉ ｔ ａ等 用 正 己 烷 配 置 的
和酚醛等热解后 的沉 积 物来 提高 界面性 能 ｊ 。此 外 ，
将金属 卤化物（ 如Ｚ ｒ Ｃ １ ４ 、 Ｔ ｉ Ｃ １ 、 Ｂ Ｃ Ｉ ３ 等） 置于氢气 中 ， 在 １ ０ ０ ０ ℃ 以上 高温气化 ， 再沉积 于碳纤维表 面 ， 可使碳 纤 维的耐高温氧化性 能大 幅度 改善 ， 且 处 理后 碳纤维 的 力学性能基本不变。碳纤维 及制 品表面 涂覆有钾 或钠 的氧化物 ， 再涂 以有机碳酸醋 ， 于８ ０ ０ ℃下热解 ， 可得到 二氧化 碳薄层 ， 或者与 ８ ０ ０—１ ０ ０ ０ ℃ 中气化 的有 机碳 酸 酯接触 ， 也可生成二氧化碳膜 ， 这样 可 以明显改善纤 维 的耐高温氧化性 能。
复合材料用碳纤维的表面硝酸液相处理
复合材料用碳纤维的表面硝酸液相处理作者：杨君张立先周莉等来源：《当代化工》2015年第10期摘要：碳纤维（CF）已经成为制备高性能复合材料的重要基体之一。
为了能制备性能更加稳定和高效的复合材料，需要对碳纤维表面进行处理和改性。
使用硝酸作为表面改性液相体系，分别在不同的处理温度和时间下通过表面电镜扫描（SEM），X射线衍射（XRD）和傅立叶红外光谱分析（FT-IR）表征处理结果。
通过分析表征综合结果得出：当温度在80 ℃，处理时间为30 min时，表面官能团分布最好，且微晶结构最好；当处理时间控制在120 min以内，处理温度在100 ℃左右，纤维表面既能变得粗糙又不使得表面被酸刻蚀破坏。
关键词：碳纤维；复合材料；硝酸处理中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2289-05Surface Treatment of Carbon Fiber With Nitric AcidYANG Jun，ZHANG Li-xian，ZHOU Li，GONG Xiao-jie（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）Abstract： Carbon fiber （CF） has become one of important raw materials to prepare high performance composite materials. In order to prepare more stable and efficient performance composite materials， carbon fiber surface need be treated and modified. In this paper， nitrate was used as a surface modification liquid system to treat the carbon fiber under different temperatures and time，and then treated carbon fiber was characterized by SEM （SEM）， X-ray diffraction （XRD） and Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR）. The results show that： when the temperature is 80 ℃， treatment time is 30min， the distribution of surface functional groups is the best， and the microcrystalline structure also is the best； when the processing time is within 120 min， treatment temperature is about 100 ℃， the fiber surface becomes rough ，but it cannot be destroyed by acid etching.Key words： Carbon fiber； Composites； Nitric acid treatment碳纤维已经成为最重要的增强材料之一，碳纤维复合材料（CFRP）的应用也日趋广泛，而CFRP的力学性能则是我们最为关心的一个指标。
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短梁剪切强度 ×102GPa
未处理 氮－空气 （1200oC） 硝酸中回流 8h
28.1
2.3
73.5
5.7
71.2
2、1 液相氧化法
液相氧化的结果：
可以使CF表面发生刻蚀，在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽； 同时引入官能团。
（1）酸处理法
最常用的是浓硝酸和不同浓度的硝酸。 除硝酸外，还常用硫酸来处理。
影响碳纤维／树脂基复合材料性能的因素很多，如 纤维与树脂基体的匹配性、成型工艺中的质量控制、 参数优化等，以上介绍了几种碳纤维表面处理方法， 主要是针对如何提高碳纤维与树脂基体的粘接性能 的。 总之，作为先进复合材料的增强材料，对碳纤维的 表面结构与性质、表面改性的研究将会受到越来越 多的关注，碳纤维也将在航天领域中发挥越来越重 要的作用
硝酸处理碳纤维对其抗拉强度的影响
碳纤维CF经HNO3表面处理后，有下列变化：
比表面积增加
表面被刻蚀，表面粗糙度增加 表面官能团增加 主要是－COOH
液相氧化对碳纤维表面性能的影响
处理条件 酸性基团 （eq/g） 比表面积 (m2/g)
未处理 硝酸（24h）
3 21
0.38 1.40
液相氧化法的缺点：
孔洞为无定型 碳和混乱的条 带组成
影响碳纤维强度的重要因素是纤维中的缺陷：原丝带 来的缺陷；碳化过程中产生的缺陷。 PAN碳纤维结构是高倍拉伸的、沿轴向择优选向的原 纤维和空穴构成的高度有序织态结构。在PAN碳纤维上存 在异形、直径大小不均、表面污染、内部杂质、外来杂质、 各种裂缝、空穴、气泡等。
表面清洁法
氧化处理 碳纤维的表面处理 等离子体处理
化学接枝
表面改性机理： 1.表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂 的机械嵌合) 2.石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的数目就越多， 越有利于纤维与树脂的粘合) 3.碳纤维表面官能团种类与数量(官能团如一ＯＨ、一Ｎ Ｈ２) 经表面处理后，碳纤维表面石墨微晶变细，不饱和碳原 子数目增加，极性基团增多，这些都有利于复合材料 性能改善.
由于大量废酸废液产生，所以环境污染较大；
液相氧化多为间歇操作，所需处理时间较长，与CF生产线相
匹配有困难。
所以多用于间歇表面处理和研究表面处理的机理。近年来 已逐渐被淘汰。 Note： 液相氧化时，纤维处理后一定要清洗干净，否则将影响 CF与基体的粘结强度。
2、2 电化学氧化法(也称电解氧化法)
4 化学接枝改性
化学接枝法是通过化学方法在纤维表面引入具有反应活性的活 性点，然后再引发单体等在纤维表面聚合的改性方法。通常采 用的聚合方式包括自由基聚合、阴离子聚合、等离子体引发聚 合以及辐射引发聚合等。有时为了提高接枝效果，在进行化学 接枝聚合前先在ＣＦ表面引入一定量的活性基团，如羟基（－ ＯＨ）、羧基（－ＣＯＯＨ）等
碳纤维在工业中的应用
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作 为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工 韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽 车板簧和驱动轴等。
理想的石墨点阵 结构属六方晶系，真 实的碳纤维结构属于 乱层石墨结构。
石墨的六方晶体结构
石墨层片的缺陷 及边缘碳原子
最基本的结构单元
石墨微晶 碳纤维的二级结构单元
碳纤维的三级结构单元： 石墨微晶组成原纤 维，直径50nm左右， 长度数百纳米。原纤维 呈现弯曲、彼此交叉的 许多条带状结构组成， 条带状的结构之间存在 针形空隙，大体沿纤维 轴平行排列。 原纤维
最后由原纤维组成碳纤维的单丝
电化学氧化法：
以CF为阳极，镍板、石墨板、铜板、白金板、白钢板等为 阴极，在电解质溶液中于一定电流密度下，靠电解作用产生 的初生态氧对CF进行氧化刻蚀，并形成含氧官能团。
无机酸，如硝酸、硫酸、磷酸及它们的盐类
电解质溶液
有机酸，如甲酸、草酸或有机酸的盐类
碱类，如氢氧化钠等
电化学氧化提高纤维与树脂间的界面强度的机 理主要有：①电化学氧化可除去ＣＦ表面的薄 弱层，如污染物、缺陷及低取向区等；②电化 学处理可在ＣＦ表面引入一些活性官能团，促 进碳纤维与树脂基体间的化学结合；③ＣＦ经 电化学氧化表面处理后，表面被一定程度地刻 蚀，粗糙度增大，从而增强了ＣＦ与树脂基体 间的机械锲合作用。
1.表面清洁法
杂质来源
碳纤维吸收的水分，纤维空隙中残留的有机热解产物以及 从环境中沾染的杂质。
如何处理？
可以去除吸附水，并使其表面得到净化。
将CF在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，
碳纤维表面性能及其复合材料短梁剪切强度
表面处理
比表面积 m2/g 0.87
表面特征 中性 表面沾污
中性 清洁 清洁 酸性
3 等离子体处理
通过等离子体处理，可产生以下效果：
使碳纤维表面的沟槽加深，粗糙度增加
并在纤维的表面产生了一些活性基团
如－COOH，－COO－，－OH，－C＝O等
如采用氦等离接枝法对涂覆有纳米ＳｉＯ２的ＣＦ进 行表面处理。实验结果表明，氦等离子体处理可使纳 米涂层均匀分布在纤维表面，同时可在纤维表面引入 新的官能团，促进ＣＦ和ＳｉＯ２纳米涂层间有效的 表面激活反应，处理后纳米ＳｉＯ２涂层和ＣＦ间的 界面结合力显著增强。苏峰华等研究了等离子体处理 对碳纤维增强复合材料摩擦性能的影响，发现处理后 ＣＦ表面产生了大量的活性基团，表面含氧元素明显 增多，纤维在树脂中的润湿性能得到较大改善，碳纤 维织物和粘结剂间的结合强度增大，固化后复合材料 的整体强度得到提高，力学性能和耐磨性能得到显著 提高。
原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，而大 部分将变成碳纤维的缺陷。同时在碳化过程中，由于大量 的元素以气体形式逸出，使纤维表面及其内部生成空穴和 缺陷。绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方。
沥青基石墨纤维 切面的投射电镜 图。结晶完整的 石墨片属平行于 纤维轴向排列， 内部存在少量微 孔相和无定形碳
阳极电解氧化法的实验装置图
（1）纺丝卷筒；（2）电解槽；（3）石墨电极； （4）导电辊；（5）水洗槽；（6）干燥炉
电化学氧化法的影响因素：
电解质种类；电流大小；处理时间 等
经过电化学处理后可达到的效果：
表面刻蚀形成沟槽，使CF的表面积增加； 表面官能团数量，可在CF表面引入—OH，—COOH 等
电化学氧化法的优点：
处理条件缓和、反应易控、操作简便；
处理时间短，可以直接与CF生产线相连。
如以碳酸氢铵为电解液对电化学改性ＰＡＮ基Ｃ Ｆ进行了研究，结果表明，经电化学氧化后，碳 纤维表面粗糙度增大了１．１倍，表面Ｃ含量降 低了９．７％，Ｏ含量提高了５３．８％，Ｎ 含 量增加了７．５倍，羟基（－ＯＨ）和羧基（－ ＣＯＯＨ）含量也有不同程度的增加，表面微晶 尺寸减小，表面活性碳原子数增加了７８％，表 面取向指数减小了１．５％，改性后碳纤维和树 脂间的界面撕裂强度增大了２６％，但改性过程 中的刻蚀作用使碳纤维拉伸强度降低了８．1％。
碳纤维的皮层结构：
碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是连续的过 渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的14％， 芯子占39％，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱， 结构不均匀性愈来愈显著。
表面改性的原因：由于碳纤维表面惰性大、 表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应 活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较 多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能， 限制了碳纤维高性能的发挥，因此可以通过 表来酸酐后对纤 维性能的影响，结果表明接枝后ＣＦ表面的微 晶尺寸减小，石墨微晶边界活性提碳纤维的表 面接枝不应仅局限在表面的或处理后所产生的 －ＣＯＯＨ、－ＯＨ等基团的接枝反应。ＣＦ 中的芳环结构同样可用作反应官能团，用来对 碳纤维进行改性。
表面化学接枝是近２０年发展最快、也是最有 效的表面改性方法。通过有选择地在ＣＦ表面 接枝各种柔性、刚性、梯度变化的聚合物层， 不仅可以提高ＣＦ与基体间的界面粘结力、层 间剪切力、抗弯曲强度、抗冲击强度等力学性 能，还可以根据需求在ＣＦ表面接枝具有某种 特殊性质的官能团。
碳纤维表面改性
特点：
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理 而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结 构类似人造石墨(C原子层状排列)，是乱层 石墨结构。
碳纤维是先进复合材料最常用也是最重要的增强体，是由 不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的 新型无机非 金属材料。 具有高的比强度和高模量，热膨胀系数小，尺 寸稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制 成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3 倍以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因而 在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。
The end
谢谢~！