碳纤维表面处理

碳纤维表面处理阅读报告

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。

表面物理性能主要包括表面形貌、表面沟槽大小及分布、表面粗糙度、表面自由能等。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结性能有很大影响。碳纤维表面的化学反应活性与其活性基团的浓度密切相关,而这些活性基团主要为羟基、羧基和环氧基团等含氧官能团,故O/C比(氧元素与碳元素比值)可以间接反映碳纤维的化学活性

传统的粘合理论认为被粘物表面的不规则性有利于粘合剂的填入,固化后粘合剂和被粘物表面发生咬合而固定,同时表面粗糙的被粘物会增加真实的粘结面积,粘合强度亦随表面粗糙度的增加而增加,所以碳纤维表面沟槽状态和表面粗糙度可能对其界面强度有影响。常用的表面处理方法有氧化法和非氧化法两大类。

氧化法

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, 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。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。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。

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。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

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4等离子体氧化法

等离子体法主要是通过等离子体撞击碳纤维表面,从而刻蚀碳纤维表层,使其表面的粗糙度增加,表面积也相应增加。由于等离子体粒子一般具有几个到几十个电子伏特的能量,使得碳纤维表面发生自由基反应,并引入含氧极性基团。等离子体法还有可能使碳纤维表面微晶晶格遭到破坏,从而减小其微晶尺寸。

非氧化法

1. 表面涂层改性法

表面涂层改性法的原理是将某种聚合物涂覆在碳纤维表面, 改变复合材料

界面层的结构与性能, 使界面极性等相适应以提高界面粘结强度, 同时提供一个可消除界面内应力的可塑界面层。活性涂层可显著改善复合材料的剪切性能, 而

且涂层浓度对性能的影响非常敏感。碳纤维表面涂覆聚铝氧烷,在高温热处理,则碳纤维表面生成氧化铝涂层,使其抗氧化性能得到提高,可与金属复合制取碳纤维增强金属基复合材料。

2.气相沉积法

气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面黏接性能,增加复合材料的层间剪切强度。气相沉积处理法是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力,从而提高了复合材料的界面性能。

3. 电聚合法

电聚合法是在电场力的作用下使含有活性基团的单体在碳纤维的表面聚合成膜,以改善其表面形态和组成经电聚合处理之后的碳纤维单丝的拉伸强度、拉伸模量、以及断裂伸长率都有明显提高,复合材料的层间剪切强度有了大幅度提高,冲击强度也有明显改善

4. 偶联剂涂层法

偶联剂涂层法所采用的偶联剂为双性分子,它的一部分官能团与碳纤维表面反应形成化学键,另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用,将二者牢固地连在一起,从而达到提高界面强度的目的。

参考文献：

【1】石峰晖等，［Ｊ］碳纤维表面性质分析及其对复合材料界面性能的影响，航空材料学报，2010年，第30卷第3期，43-47.

【2】王赫等，［Ｊ］碳纤维表面处理技术的研究进展，合成纤维，2007年，No.1，29-32.

【3】季春晓等，［Ｊ］碳纤维表面处理方法的研究进展，石油化工技术与经济，2011年，第27卷，第2期，57-61.

【4】夏丽刚等，［Ｊ］碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究，材料导报，2006年5月第20卷专辑Ⅵ，254-257