碳纤维表面处理与改性
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。
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。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理碳纤维作为一种具有高强度高模量的先进材料，通常需要与其他基体材料进行复合制备成复合材料进行使用。
由于碳纤维本身经过1300℃以上的高温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具有较强的惰性，与高分子树脂等基体进行复合时，纤维与树脂的结合较差，影响纤维优异力学性能的发挥,并最终影响复合材料的性能。
因此在碳纤维制备过程中，通常需要对碳纤维进行表面处理,增加其表面的活性基团，增强与树脂等基体之间的结合。
5。
3.1 表面处理方法由于碳纤维表面处理对其复合材料性能提高的作用，因此表面处理方法的研究也是碳纤维制备技术研究的重点。
经过多年的研究，科研工作者开发了多种对碳纤维进行表面处理方法,表 5.11列出了可以对碳纤维进行表面处理的不同方法及其影响因素.在这些处理方法中，目前应用在工业化生产上的基本上都是电解氧化法.表5。
11 碳纤维表面处理方法和影响因素序号类型处理方法影响因素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、空气、水蒸气/空气、NO/空气时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/ H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比例、3 电解氧化氨水、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等水溶液时间、电压、电流密度、电解质浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电引发聚合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 聚合物电沉积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马来酸酐共聚物时间、电压、电流、溶剂、共聚物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性聚氨酯炭黑树脂组成含量、涂覆量8 高温气相沉积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石墨晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面聚合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈—苯乙烯、丙烯腈、异氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、空气、SiC涂层、AN聚合时间、真空度、功率、流动速度5。
碳纤维制作方法
碳纤维制作方法
碳纤维是一种高强度、轻质、耐高温的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
下面将介绍碳纤维的制作方法。
首先，碳纤维的制作需要原料——聚丙烯或聚丙烯腈纤维。
这些原料首先要经
过预处理，包括去除杂质、溶解、纺丝等步骤，以得到纯净的聚丙烯或聚丙烯腈纤维。
接着，将得到的纤维进行预氧化处理。
预氧化是将纤维在氧气或氧化剂的作用
下进行热处理，使其产生氧化反应，形成氧化物膜，提高纤维的热稳定性。
然后，进行碳化处理。
将预氧化后的纤维置于高温炉中，进行碳化反应，使其
含碳量增加，形成碳纤维的基本结构。
接下来，进行石墨化处理。
将碳化后的纤维进行高温石墨化处理，使其结构更
加致密，提高强度和导电性能。
最后，进行表面处理。
对石墨化后的碳纤维进行表面处理，包括氧化、涂覆、
改性等工艺，以满足不同领域对碳纤维的特殊要求。
通过以上几个步骤，我们可以得到优质的碳纤维制品。
当然，这只是一个简单
的制作流程，实际生产中还需要根据具体要求进行调整和改进。
总的来说，碳纤维的制作方法虽然复杂，但是通过精密的工艺和技术手段，我
们可以生产出各种不同性能和形状的碳纤维制品，为现代工业的发展和进步提供了重要的支持。
希望本文的介绍能够对碳纤维制作方法有所帮助，谢谢阅读！。
碳纤维后处理工艺流程
碳纤维后处理工艺流程碳纤维是一种轻、强、高模量的新型纤维材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、体育器材等领域。
然而，碳纤维作为一种高性能材料，在生产过程中仍然需要进行后处理工艺，以提高其表面质量和增强其性能。
碳纤维后处理工艺涉及到表面处理、改性处理和功能化处理等环节，本文将详细介绍碳纤维后处理工艺流程。
一、碳纤维后处理工艺流程概述碳纤维后处理工艺是在碳纤维制备过程中的最后一个环节，主要目的是改善碳纤维的表面性质，提高其粘接性、润湿性、导热性等特性，进而增强其在复合材料中的应用效果。
碳纤维后处理工艺流程主要包括表面处理、改性处理和功能化处理三个环节，具体步骤如下：1.表面处理碳纤维的表面处理是后处理工艺的第一步，主要是利用物理或化学方法清洁碳纤维表面，去除尘埃、油脂和其他污染物，以确保后续处理工艺的顺利进行。
常用的表面处理方法包括喷砂、溶剂清洗、气体等离子处理等。
2.改性处理改性处理是碳纤维后处理工艺的核心环节，通过改性处理可以有效改善碳纤维的表面特性，增强其黏附性和润湿性，提高其力学强度和耐热性。
常用的碳纤维改性处理方法包括氧化、氢化、表面活性剂处理、离子注入、化学涂层等。
3.功能化处理功能化处理是对碳纤维进行特定功能的表面改性，以赋予其特定的性能，如增强导电性、抗静电性、耐化学腐蚀性等。
常用的碳纤维功能化处理方法包括导电涂层、化学修饰、阳离子改性等。
以上是碳纤维后处理工艺流程的概述，下面将详细介绍每个环节的具体处理工艺。
二、碳纤维后处理工艺流程详解1.表面处理表面处理是碳纤维后处理工艺的第一步，其目的是清洁碳纤维表面，去除表面杂质和污染物，提高后续处理工艺的效果。
常用的表面处理方法包括：（1）喷砂：利用高速气流将砂粒冲击碳纤维表面，去除表面污染物和氧化层，增加表面粗糙度，提高黏附性。
（2）溶剂清洗：采用有机溶剂如丙酮、丙醇等对碳纤维表面进行清洁，去除油脂、树脂等污染物。
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。
高模量碳纤维表面处理技术研究取得新进展
博览I成果简报Review Achievements高模量碳纤维表面处理技术研究取得新进展由于碳纤维表面惰性，复合材料中碳纤维和基体材料间应力载荷无法有效传递，直接影响其性能发挥，限制其规模化应用，工业主要采用阳极氧化法来解决这一问题。
高模量碳纤维具有表面晶面尺寸更大、刚性更好、抗弯折性更差、表面惰性更突出的特性（见图1），采用传统的阳极氧化法进行表面处理，不仅毛丝、断丝多，而且表面处理效果不均匀，反映在复合材料中界面结合性能明显偏弱。
日前，中国科学院山西煤炭化学研究所碳纤维表面工程课题组在表面改性方面取得新进展。
该课题组采用新型非接触电化学处理方法处理高模量碳纤维，经工艺设计及工艺条件优化，可实现良好处理效果并有效减少导丝辊对纤维丝的磨损，建立了高模量碳纤维的连续化表面处理试验线。
据连续试验线效果统计：（1）该工艺对高模量碳纤维无明显损伤，可大大减少高模量碳纤维在表面处理过程中的毛丝、断丝发生量；（2）表面处理后，碳纤维表面元素含量均匀（图2）、可调控；⑶经评价与环氧树脂界面剪切强度值提高55.2%；（4）经第三方单位评价，环氧树脂复合材料层间剪切强度可达80Mpa，弯曲强度可达340MPa，均明显高于目前国内外报道值。
该方法克服了传统阳极氧化方法的固有缺陷，工艺环境友好，为高性能碳纤维，特别是高模量碳纤维的连续化制备及其应用提供了全新的思路和技术。
该研究成果已在2019年度的SAMPE会议上以□头报告的形式进行了介绍。
OriMVUtion1500°C Carbonization2nm2500°C Graphitization816nm 图1高强度碳纤维（左）与高模量碳纤维（右）的结构特征差异日期时间岛放大倍数爲3/25/20198:29:48PM15.0keV15000*9.8mm图2经新型表面处理后高模量碳纤维表面的元素m a pping分析（中科院山西煤炭化学研究所）652019年第3期•总第106期。
碳纤维及其复合材料
2.24
289.9
2.03
300.6
1.93
343.7
1.89
408.1
1.79
418.6
断裂伸长 密度 （%） （g/cm3）
1.60
1.721
1.03
1.751
0.79
1.770
0.69
1.761
0.66
1.817
0.49
1.919
0.48
1.962
电阻率 （106Ω•m）
12.12 7.63 6.93 6.36 5.34 4.24 3.70
6.2 碳纤维的制备
在惰性气氛中将小分子有机物(如 烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维， 然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使 有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳 为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤 维。
6.3.2 根据碳纤维功能分类 (1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
6.3 碳纤维的分类
6.3.3 根据碳纤维性能分类
性能分类
高性能碳纤维 高强度(HS)，超高强度(VHS)， 高模量(HM)，中模量（MM)
碳纤维产品
碳纤维及预浸料
碳绳
抗拉强度：3600MPa 拉伸模量：220GPa 层间剪切强度：85MPa 断裂伸长率：1.5%
防弹板
6.1 碳纤维（Carbon Fiber----CF）
6.1.2 碳纤维概述 碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美
国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝。
碳纤维的制作过程
初始拉伸模量 (GPa)
Nomex
Kevlar
Kevlar-29
Kevlar-49 芳纶Ⅱ 芳纶Ⅰ 尼龙6 尼龙66 涤纶 丙纶
碳纤维M40 碳纤维T500 碳纤维T300 E玻璃纤维 高强2#玻璃纤维
硼纤维 氧化铝纤维
1.38 1.43~1.44
1.44 1.44 1.44 1.465 1.14 1.14 1.38 0.90 1.81 1.74 1.75 2.54 2.54 3.9
KevIar纤维表面缺少化学活性基团，用 等离子体空气或氯气处理纤维表面，可使 Kevlar纤维表面形成一些含氧或含氮的官能团 ，提高表面活性及表面能，显著地改善对树脂 的浸润性和反应性，增加界面粘结强度。
芳纶在各种化学药品中的稳定性
化学试剂 浓度(%) 温度(℃)
醋酸 99.7
21
盐酸
37
21
垂直于纤维的热流 4.11×10-2
平行于纤维的热流 4.816×10-2
和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性 的特点。
如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横向热膨胀系 数为59 × 10 -6 /℃
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶 解转为液晶纺丝而成。
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
10 芳纶纤维
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。
以碳纤维为例说明增强材料处理的原因和方法
以碳纤维为例说明增强材料处理的原因和方法
碳纤维属于高性能的增强材料，主要由碳元素组成，其比强度和比刚度大于传统材料如钢铁和铝合金等。
但是在应用碳纤维时，需要进行增强材料处理来提高其性能，并使其适用于不同的应用领域。
增强材料处理的原因有以下几点：
1.增强纤维的分散性：由于碳纤维具有极高的比表面积和微观孔隙，因此处理时需要将纤维进行分散处理，以提高其充填性和增强材料的一致性。
2.表面处理：碳纤维表面处理的目的是增强材料与基材的结合力，以增强增强材料和基材之间的亲和力。
表面处理的方法有化学处理、物理处理等。
3.添加剂：添加剂可以改善碳纤维增强材料的加工性能、流变性能和稳定性等，以便实现其更好的加工和成型。
4.协同增强：通过与其他增强材料如玻璃纤维、陶瓷等组合使用，可以实现协同增强，进一步提高增强材料的性能。
增强材料处理的方法包括预氧化、高温碳化和表面修饰等，这些处理方法都是针对碳纤维的特性和应用需求而设计的。
其中，预氧化是将碳纤维经过氧化处理，以便强化其性能。
高温碳化是将预氧化的碳纤维经过高温处理，使其形成具有更高比表面积和更好修饰表面的碳纤维。
表面修饰则是通过化学或物理方法，对碳纤维表面进行处理，以加强其与基材的结合力。
碳纤维布的施工准备以及表面处理
碳纤维布的施工准备以及表面处理1. 碳纤维布施工前的准备工作1.1 确定材料及工具清单在选择碳纤维布的材料时，需要根据具体工程的要求进行选材，包括确定碳纤维布的规格、面积、厚度等参数。
同时，需要准备好相应的工具，如橡皮刮板、批刀、刷子、滚筒等，以便进行施工。
1.2 对施工场地进行清理和准备在进行碳纤维布施工前，需要对施工场地进行清理和准备工作。
首先需要将原有的杂物和残留物清除干净，确保施工表面干净、平整。
此外，需要针对具体的施工工艺进行场地准备工作，如进行模板制作、拆卸等。
1.3 进行施工方案和工艺流程的确认在进行施工前，需要进行施工方案和工艺流程的确认，这包括完成施工图纸的设计、技术方案的制定等。
在确认施工方案和工艺流程后，需要进行相应的材料和工具的采购和调配，以确保施工过程中的顺利进行。
2. 碳纤维布施工时的表面处理2.1 表面清洁在进行碳纤维布施工时，首先需要对施工表面进行清洁处理。
使用场地清洁工具，如扫把、清洗机器等，将场地内的杂物、灰尘、油污等污物清除干净。
在进行清洁之前，需要确保施工表面是干净、平整、无污染，否则会影响后续碳纤维布的附着力，甚至使操作过程中产生安全隐患。
2.2 表面处理在进行碳纤维布的施工过程中，采用表面处理技术可以提高碳纤维布的附着性、粘结性、耐用性等综合性能。
表面处理可分为机械处理和化学处理两种方式：•机械处理机械处理是利用机械力对工件表面进行物理性改性，并形成一定的粗糙度。
常用的机械方法包括砂纸、磨齿轮、抛光等。
机械处理通常需要消耗大量的时间和能量，同时也会产生噪音和粉尘等环境污染问题。
•化学处理化学处理是指利用化学物质对表面进行处理，改变表面化学性质，提高表面附着性。
常用的方法有酸洗、氧化、镀层等。
化学处理的优点在于处理速度快，并且能够在一定程度上改善表面质量和性能。
综上所述，碳纤维布的施工准备需要对材料和场地进行清理和准备，并对施工方案和工艺流程进行确认；在施工过程中，表面处理是非常关键的一个环节，需要采用适当的表面处理技术以保证碳纤维布的良好附着和持久性能。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理之阳早格格创做碳纤维动做一种具备下强度下模量的进步资料，常常需要与其余基体资料举止复合造备成复合资料举履止用.由于碳纤维自己通过1300℃以上的下温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具备较强的惰性，与下分子树脂等基体举止复适时，纤维与树脂的分离较好，效率纤维劣同力教本能的收挥，并最后效率复合资料的本能.果此正在碳纤维造备历程中，常常需要对付碳纤维举止表面处理，减少其表面的活性基团，巩固与树脂等基体之间的分离..1 表面处理要领由于碳纤维表面处理对付其复合资料本能普及的效率，果此表面处理要领的钻研也是碳纤维造备技能钻研的重面.通过多年的钻研，科研处事者启垦了多种对付碳纤维举止表面处理要领，表列出了不妨对付碳纤维举止表面处理的分歧要领及其效率果素.正在那些处理要领中，暂时应用正在工业化死产上的基础上皆是电解氧化法.表碳纤维表面处理要领战效率果素序号典型处理要领效率果素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、气氛、火蒸气/气氛、NO/气氛时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比率、3 电解氧化氨火、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等火溶液时间、电压、电流稀度、电解量浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电激励散合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 散合物电重积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马去酸酐共散物时间、电压、电流、溶剂、共散物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性散氨酯冰乌树脂组成含量、涂覆量8 下温气相重积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石朱晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面散合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、同氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、气氛、SiC涂层、AN散合时间、真空度、功率、震动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维表露正在气相氧化剂(如气氛、氧等)中，正在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化死成一些活性基团(如羟基战羧基).气相氧化处理不妨灵验普及碳纤维与基体间的界里剪切强度.如将碳纤维正在450℃的气氛气氛中氧化10分钟，所造备的复合资料的剪切强度战推伸强度皆有所普及；采与浓度为0.5-15mg/L的臭氧连绝导进碳纤维表面处理炉中举止表面处理，碳纤维的界里剪切强度可达78-105MPa；氧气气氛中用卤素、二氧化硫等搞压造剂，也可灵验革新表面个性.气相氧化法的便宜是较便当的正在线配套使用，处理速度快，缺面是对付碳纤维的处理匀称性不敷理念，工艺条件苛刻，统造艰易，简单对付碳纤维力教本能爆收较大的益伤，而且有毒有害气体的使用对付环境效率较大..1.2 液相氧化法液相氧化法是利用强氧化性液体大概者溶液，如硝酸、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等对付碳纤维举止表面处理，使其表面爆收羧基、羟基、羰基等含氧基团，进而达到巩固与树脂界里分离的脚法.由于液相氧化法较气相氧化法较为温战，氧化程度较简单统造，阻挡易使纤维爆收太过氧化效率其力教本能，是钻研较多的要领之一.然而该要领由于处理时间较少，很易与碳纤维死产线匹配，通时常使用于碳纤维的间歇表面处理，而且强氧化性液体对付设备腐蚀宽重，也不利于从碳纤维中扫除搞洁..1.3 催化氧化法催化氧化法是利用金属盐类对付碳纤维举止催化氧化，该要领不妨灵验普及表面处理速度，然而由于碳纤维与催化剂很易匀称交战，其氧化匀称性受到效率，而且也存留催化剂扫除艰易的问题.该要领基础只停顿正在钻研阶段..1.4 散合物涂层法电激励散合物涂层、散合物电重积涂层、表面散合物接枝战表面涂覆等要领皆是正在碳纤维表面引进一薄层散合物膜，进而达到与基体树脂匹配的效验.其中电激励散合物涂层、散合物电重积涂层皆是利用碳纤维自己具备导电性的个性，正在电场的效率下正在碳纤维表面激励散合大概者重积散合物，进而引进活性基团，普及与基体树脂的界里分离.表为分歧涂层典型对付碳纤维复合资料本能的效率.通过电化教涂层改性后，碳纤维复合资料的层间剪切强度战抗直强度皆比已处理时有明隐普及，而且正在一些条件下还不妨普及抗冲打强度.然而是那些要领自己本去不真真改变碳纤维表面结构，果此基础不会对付碳纤维力教效率爆收明隐效率.共时根据基体树脂的个性采用符合的单体大概者散合物，不妨较佳天达到普及复合资料本能的脚法.涂层薄度战匀称性统造是那些要领的易面.表电化教涂层对付碳纤维复合资料本能的效率涂层典型层间剪切强度/MPa抗冲强度/kJ/m2抗直强度/MPa马去酸酐/苯乙烯=1：1 68 57 1100 马去酸酐/苯乙烯=2：1 59 72 1100 马去酸酐/苯乙烯=3：1 62 56 1000 马去酸酐/己烯=1：1 61 42 1000 马去酸酐/十八烯=1：1 52 44 910 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量50万）48 86 900 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量75万）59 130 950 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量125万）54 140 860 已处理34 63 780下温气相重积是正在下温条件下将碳化硅、石朱晶须等重积到碳纤维表面，所重积的物量对付树脂起到物理锚定效率，进而减少碳纤维与树脂之间的分离.该要领不妨小批量处理碳纤维，然而真动工业化死产较为艰易..1.5 等离子体法等离子体是具备脚够数量而电荷数近似相等的正背戴电粒子的物量汇集态.用等离子体氧化法对付纤维表面举止改性处理，是指利用非散合性气体对付资料表面举止物理战化教效率的历程.采与矮温等离子大概微波等离子对付碳纤维举止表面处理也是止之灵验的要领，该要领的个性是气一固反应，无传染，处理时间较短，常常几秒钟便不妨达到所需处理效验.等离子体所用气体不妨是活性气体（如氧、氨气、一氧化碳等），也不妨是惰性气体，如氦气、氮气战氩气等.时常使用的氧等离子体具备下能下氧化性，与碳纤维表面碰碰时，不妨将碳纤维微晶棱角、边沿战缺陷等处的碳碳单键结构氧化成含氧活性基团.表为分歧等离子体对付碳纤维处理效验的比较，证明氧等离子体较惰性气体等离子体的劣势.然而是，等离子体的爆收需要一定的真空环境，所以设备搀纯，连绝、宁静战万古间处理具备一定的艰易.表分歧等离子体对付碳纤维处理效验比较等离子体羰基含量酮基含量醚键含量表面碳含量/%表面氧含量/%表面氮含量/%ILSS/MPa氧等离子体氮等离子体氩等离子体.1.6 电解氧化法电解氧化法也成为阳极氧化法，是将碳纤维动做阳极，石朱板动做阳极，正在电解量火溶液中施加曲流电场举止电解氧化处理，使碳纤维表面爆收计性官能团的处理要领.电化教氧化反应条件慢战, 处理时间短，工艺设备较为简朴，可与碳纤维死产线贯串战匹配真止工业化死产.通过统造电解温度、电解量含量战含量、电流稀度等工艺条件不妨真止对付氧化程度以及纤维表面官能团天采用性统造.电解氧化法是暂时碳纤维工业化死产中被广大应用的要领.图9为阳极氧化法对付碳纤维举止表面处理的工艺过程示企图.图9 阳极氧化法工艺过程示企图正在阳极氧化表面处理时由于以碳纤维自己动做阳极，果此正在施加一定电流后，电解液中含氧阳离子正在电场效率下背碳纤维移动，正在其表面搁电死成新死态氧，既而使其氧化, 死成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 共时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀,使得碳纤维自己的表面物理结构爆收变更.采与电化教氧化法, 合理采用电化教氧化拆置是包管真施碳纤维有良佳的表面处理效验的前提条件.正在采用电化教氧化拆置时,要思量的果素包罗阳极的资料、电解量战电流的采用.阳极资料既要导电, 又要耐腐蚀.石朱板具备良佳的导电本能战耐腐蚀性, 正在工业化死产中被广大应用.电解量可用酸、碱大概盐类，如硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等.对付于酸性电解量，火被电解死成的氧本子被碳纤维表面的不鼓战碳本子吸附，并与相邻吸附氧的碳本子相互效率而爆收二氧化碳，进而使石朱微晶被刻蚀.边沿与棱角的碳本子数目缩小，是表面官能团减少的一个要害果素；对付于碱性电解量，氢氧根离子被碳纤维表面的活性碳本子吸附，并与相邻吸附氢氧根的碳本子相互效率而死成氧，进而减少了表面活性碳本子数目.阳极表面处理常常采与曲流电，也有报导采与接流电举止处理，较小的电量不妨得到灵验的处理效验.表为分歧电解量正在10mA/mg电流下阳极氧化处理10分钟后碳纤维表面弛力、极性的变更.表分歧电解量系统对付阳极氧化表面处理效验的效率电解量γ/mN/m γp/mN/m γd/mN/m X p已处理K2CO3/KOHK2HPO4/KOHKHCO3/KOHKH2PO4/KOHNaHSO4/NaOHKHSO4/KOHK2SO4/KOHKNO3/KOHKClO4/KOH.1.7 下能量电子辐照近些年去，下能量电子辐照技能也被用去动做碳纤维表面处理的脚法.下能量电子辐照常常采与Co60γ射线，辐照剂量从几十到几百kGy.由于γ射线具备极下能量（1.17战1.33MeV ）,具备极强的脱透性，果此不妨正在所有温度下无需催化剂存留条件下正在气、固、液资料中激励化教反应，具备无传染、节能等便宜，而且对付碳纤维还不妨正在支卷后举止，大概者对付碳纤维织物举止间接处理，而无需思量织物大小、形状、薄度等.图5.40为利用γ射线对付碳纤维举止处理的拆置示企图.图1为分歧剂量γ射线辐照后碳纤维的表面形貌变更，不妨瞅出辐照后碳纤维表面形貌爆收了很大变更，符合剂量的辐照使得纤维表面沟槽变细变多，有好处IFSS的普及.图5.40γ射线处理碳纤维拆置示企图图1 分歧剂量γ射线处理后碳纤维的表面形貌.2 表面处理效验评介.2.1 表面形貌分解碳纤维通过表面处理后，由于物理、化教及涂层的效率，其表面形貌必定爆收改变.扫描电子隐微镜（SEM）不妨比较曲瞅天反应碳纤维表面处理后表面形貌的变更.采与本子力隐微镜（AFM）不妨瞅察到1μm2天区碳纤维三维坐体形态结构，共时不妨给出表面细糙度的统计数据.图2 为分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌，不妨创造通过表面处理后，碳纤维表面沟槽有所缩小.通过AFM谱图的表面细糙度分解，通过电化教氧化表面处理后，纤维的表面细糙度由于物理化教的刻蚀效率有明隐落矮（图3）.图2 分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌.图3碳纤维的表面AFM图（a:已处理b:碳酸氢铵处理c: 碳酸铵处理d: 磷酸铵处理）.2.2 表面官能团分解通太过歧表面处理的碳纤维，其表面含氧官能团主要有羧基、羟基战羰基.碳纤维表面的含氧官能团不妨用X-射线电子能谱（XPS）、热得重分解（TGA）、电位滴定、酸碱滴定等举止分解.XPS不妨检测碳纤维表面含氧官能团的种类、浓度等，是一种较为敏捷、稳当的要领.普遍通过对付XPS谱图的分峰处理，以O1s/C1s去评介处理效验，共时通太过峰处理，还不妨得到羟基、羧基、羰基等的相对付含量.表为通太过歧条件处理后碳纤维C、O、N等元素的摩我分数，不妨瞅出通过处理后通过表面处理后，纤维表面C 含量落矮，O战N含量普及，O/C战N/C均普及.图4为碳纤维表面XPS谱图及其分峰示企图，其中284.6eV为C-C 的分离能，286.6eV为C-OH的分离能，288eV为C=O的分离能，291为羧基的分离能.碳纤维由于戴有含氧官能团，果此正在真空大概者惰性气氛下，碳纤维的热得重与含氧官能团的数量稀切相闭.普遍正在300-600℃下得重为羧基裂解爆收的CO2，正在600-1000℃下得重为羟基、羰基裂解爆收CO，果此通过TGA分解，不妨定性分解表面处理效验.表碳纤维表面C、O、N等元素摩我分数处理时间C1s/% O1s/% N1s/% O/C N/C已处理90s120s150s图4 表面处理后碳纤维XPS谱图及分峰处理.2.3 表面微晶结构分解碳纤维经表面处理后，由于纤维表层氧等的分离以及刻蚀效率，纤维表层石朱化程度落矮，石朱微晶变小.由于推曼光谱分解中激光对付碳纤维的脱透深度为几十纳米，对付纤维举止推曼光谱尝试也是灵验表征碳纤维表层石朱化程度变更.通过表面处理之后, D 峰战G峰均有一定程度的分启，半下宽减小, 而且二峰的推曼峰位背下波数沉微偏偏移（图5）.图5 表面处理后碳纤维的推曼光谱及其分峰处理XRD是钻研碳纤维汇集态结构最时常使用的要领.将碳纤维磨成粉终举止XRD扫描可正在一定程度表征由于纤维表层石朱晶体结构变更引起的完全晶体结构的变更，然而那样无疑落矮了尝试的敏捷度.利用XRD表征碳纤维表面处理效验需要采与其纤维附件对付纤维完全举止XRD尝试，通过比较处理前后的纤维晶体结构变更去间接衡量处理效验..2.4 表面能分解碳纤维表面处理后，表面能减少，能隐著革新碳纤维与火、有机溶剂以及基体树脂之间的潮干性，使交战角缩小.表面能的测定常常通过测定交战角，再根据极化圆程去预计.那种要领所用仪器简朴、支配烦琐，是测定碳纤维表面处理后潮干性变更的一种灵验要领.表为表面处理前后碳纤维浸润性战交战角的变更.图6为分歧表面处理后碳纤维的交战角变更，对付于已处理的碳纤维战石朱纤维，测得的交战角分别为104战115o.随表面处理时间延少，潮干性普及，交战角缩小.表碳纤维表面浸润性变更已处理等离子体阳极氧化浸润删量/mg交战角θ/o图6 分歧表面处理后碳纤维表面交战角的变更.2.5 与树脂分离本能分解碳纤维表面处理效验最间接灵验的表征要领是层间剪切强度（ILSS）大概者界里剪切强度（IFSS）的尝试.碳纤维的层间剪切强度尝试要领按国标GB3357-82举止，尝试样品纤维体积含量60%安排，尺寸为少*宽*薄=10mm*5mm*2mm，尝试跨距5mm，加载速度10mm/min，每个样品尝试10次，与仄衡值.ILSS预计公式为：其中P为断裂背荷，b为样品宽度，d为样品薄度.IFSS数值与所用树脂体系、纤维体积含量、单背板纤维排布、清闲率等稀切相闭.采与环氧6101树脂体系，常常碳纤维的ILSS应达到90MPa以上，而采与环氧AG80体系，ILSS则应正在120MPa以上.该要领是对付碳纤维处理效验最间接灵验的评介，然而对付样品造备央供较下，需要碳纤维样品量较多.界里剪切强度IFSS是其余一种不妨曲瞅表征碳纤维表面处理效验的参数.普遍以纤维单丝形式举止尝试，并利用数教模型预计得到纤维战树脂之间的IFSS.尝试要领有单丝断裂法、单丝拔出法、微脱粘法、单丝顶出法等，那些要领的便宜是所需样品量少，然而尝试得到的IFSS值受样品造备、数据剖析等的效率较大，分歧要领得到的数值好别较大.单丝断裂法是将一根纤维埋进树脂中造成推伸试样，通过对付试样举止推伸，纤维正在试样中爆收碎裂，利用纤维强度战碎裂少度预计IFSS.该要领是鉴于单纤维复合资料正在蔓延历程中，当复合资料蔓延率达到纤维断裂蔓延率时，纤维爆收断裂.当纤维-基体界里爆收益害，推伸应力将不克不迭传导到纤维上，纤维断裂终止，断裂少度达到鼓战时纤维少度为临界少度.界里剪切强度由纤维临界少度、纤维曲径战纤维的推伸强度预计得到.单丝拔出法是将纤维单丝一端埋进树脂中，利用单丝推伸设备将纤维从树脂中拔出，通过拔出应力以及纤维曲径、埋进深度预计IFSS.单丝拔出法的样品造备极为闭键，过少的包埋深度常引导纤维正在受推历程中自己断裂而不是纤维从基体中拔出, 所以埋置深度一定要小于rσ/(2τ) , 其中σ为纤维抗推强度, r为纤维半径,τ为界里剪切强度，而太短又效率尝试的准确性.微脱粘法是将树脂滴正在碳纤维单丝上产死树脂微球，利用钳心卡住树脂微球而对付纤维举止推伸处理，使纤维从微球中脱粘拔出.正在脱黏历程中沿碳纤维/树脂基体产死的界里目标上爆收剪切应力，界里剪切强度预计公式为τ=F/πD f Le.式中τ为复合资料界里剪切强度，F为小球爆收脱黏时最大载荷，D f为碳纤维曲径，Le为埋进少度.埋进少度过少，纤维/树脂间剪切强度超出了碳纤维单丝强度，此时碳纤维爆收断裂与代微球脱黏成为主要的益害办法；而埋进少度过矮，树脂基体正在碳纤维表面铺展时产死的微球曲径小，上下剥离刀片产死的钳心易以夹持，尝试时易滑脱.果此，使用微脱黏法测界里剪切强度时，采用尝试微球的曲径宜统造正在40～80 μm.利用微脱黏法测得复合资料的界里剪切强度数值具备较大的分别性，那与纤维表面产死树脂微球的半月板天区、脱黏历程中上下刀片产死的钳心及碳纤维表面形态结构等果素有闭.单丝顶出法使用脆硬的金刚刚石压头将碳纤维从树脂中压出，界里剪切强度预计公式为τ= F/ ( 2πRL )，其中τ为复合资料界里剪切强度，F为顶出载荷，R为碳纤维半径，L 为顶出距离.正在顶出历程中思量的果素较多（如残存应力、摩揩果子等），存留主要问题是顶出历程中正在笔曲于滑移目标爆收的侧背力数值易以预计..3 表面处理对付碳纤维本能的效率碳纤维通过表面处理后最间接的效率是普及了纤维与树脂间的界里分离本能，不妨使得复合资料的剪切强度有明隐普及.常常碳纤维通过表面处理后，由于物理化教的刻蚀等本果，碳纤维强度会有所落矮，特天是正在处理程度较下时，纤维强度下落明隐.也有报导通过符合表面处理后，由于表面刻蚀使得纤维表面缺陷尺寸缩小，碳纤维强度不妨有一定普及.碳纤维的表面处理常常对付模量基础不效率.对付与阳极氧化表面处理，由于碳纤维正在阳极氧化历程中动做阳极，通电时纤维表面匀称搁出氧气，随电流稀度减少，相映的氧气搁出量减少使碳纤维上的单薄面受到刻蚀，纤维强度出现落矮.表为碳纤维通过阳极氧化后单丝强度及品量变更.电流稀度小于5mA/cm2时，纤维强度基础稳定，电流稀度继承减少，纤维强度有一定下落.碳纤维通过表面处理后，纤维品量出现耗费，随着电流稀度的普及，品量益坏删大.表碳纤维通过阳极氧化后的单丝强度及品量变更电流稀度/mA/cm2推伸强度/GPa CV/% 品量益坏/%0 0510利用等离子体举止表面处理使得碳纤维强度普及有较多报导.表为几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维本能的变更.等离子体表面处理后碳纤维强度普及大概是由于纤维表面细晶化效率及表面缺陷细化的截止.表几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维推伸本能样品推伸强度/MPa 断裂伸少/%Hercules allylcyanide 100W,5min 3460Hercules allylcyanide 200W,5min 3430Hercules allylcyanide 300W,5min 3780Grafil untreated 3340Grafil allylcyanide 100W,5min 3820Grafil allylcyanide 200W,5min 3950Grafil allylcyanide 300W,5min 3650Grafil xylene/air/argon 200W,20min 3350碳纤维通过表面处理后其电本能也会所变更.由于通过表面处理后，纤维中有一部分碳元素被氧化成羟基、羧基战羰基.氧本子上戴有部分背电荷，而碳本子上戴有部分正电荷.戴有正电荷的碳本子能俘获电子，对付电子的迁移有阻拦效率，进而落矮碳纤维的导电性.。
碳纤维的制作过程
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa， 比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维， 高于其他纤维。
芳纶与各种纤维性能比较
纤维名称
密度(g/cm3) 拉伸强度 (MPa)
(1) 压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强 度的1/5。 (2) 紫外线照射时强度大幅下降。
10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.2.1 芳纶纤维的结构
(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称PBA纤维。
NH
NH2
CO n
O C CH3
(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
Ｃ、芳纶纤维的化学性能
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学 药品的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵 蚀，尤其是强酸的侵蚀。
芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸 气的稳定性，比其它有机纤维好。芳纶对紫外线是 比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度损失很 大，因此应加能阻挡紫外光的保护层。
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶 解转为液晶纺丝而成。
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
KevIar纤维表面缺少化学活性基团，用 等离子体空气或氯气处理纤维表面，可使 Kevlar纤维表面形成一些含氧或含氮的官能团， 提高表面活性及表面能，显著地改善对树脂的 浸润性和反应性，增加界面粘结强度。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
在酸性介质中电解氧化碳纤维时,虽然氧化效果比较显著,但会使得碳纤维力学性能下降严重,且酸性介质易腐蚀设备;使用碱性电解质氧化处理碳纤维后,碳纤维之间和碳纤维表面残留的金属离子不易洗净,而残留碱性金属离子会导致碳纤维的抗氧化性能下降。
因此,目前国内外大多使用铵盐溶液作为电解质,如碳酸氢铵、碳酸铵等,其优点在于:一是对设备无损伤,二是铵盐类电解质在
后续干燥过程中易于分解,不会残留在碳纤维表面。
在碳纤维阳极氧化处理过程中,可通过调整电流密度和处理时间来控制碳纤维的表面氧化程度。
由于处理时间往往受到设备尺寸和丝束运行速度的限
制,不易调节。
因此,电流密度成为最重要的工艺参数。
我们在不同的电流密度下对碳纤维表面进行阳极氧化处理,采用SEM、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等手段表征处理后碳纤维表面的物理化学结构,并分析表面结构的变化对其增强树脂基复合材料性能的影响,进而获得合适的电流密度参数。
随着电流密度和处理时间的增加，碳纤维表面的碳结构逐渐发生氧化反应，石墨化程度降低，碳元素含量降低，氧氮元素含量增加，表面活性官能团增加。
2、纳米碳材料改性
纳米碳材料因其多样的结构以及优越的物理、化学和力学特性,成为国内外众多科学家关注和研究的热点,其中以一维结构的碳纳米管(carbon nanotube , CNT)和二维结构的石墨烯(graphene)为典型代表。
由于纳米碳材料与碳纤维具有良好的相容性,在碳纤维增强复合材料的研究领域中也受到广泛的关注。
在碳纤维表面引入纳米碳材料可以增加纤维表面的粗糙度,增强纤维和基体树脂之间的机械啮合作用,显著提高复合材料的界面性能。