碳纤维改性-xxx

《纤维材料改性》课程论文题目碳纤维的改性技术与应用领域

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2013年11 月25 日

碳纤维的改性技术与应用领域

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摘要：本论文是对于碳纤维进行的探讨，碳纤维现在常用的改性技术以及对于未来技术发展的展望。现在碳纤维主要应用于航空航天、工业应用、体育休闲等方面，而我国碳纤维在航空航天等高科技领域的应用还不如其他发达国家，所以为缩小与其他国家的差距，我国得加强对碳纤维改性技术的研发。

关键字：碳纤维；改性；应用；前景

The modification and application of carbon fiber

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Abstract: In this paper was conducted for the carbon fiber, carbon fiber is now commonly used modification technology and the outlook for future technology development. Now carbon fiber is mainly used in aerospace, industrial application, sports leisure, etc., and the application of carbon fiber in our country in the field of aerospace and other high-tech than other developed countries, so to narrow the gap with other countries, our country must strengthen the research and development of carbon fiber modification technology.

Key word: Carbon fiber; The modification; Application; prospects

1 碳纤维简介

碳纤维是由无机纤维经一系列热处理方法转化而成的含碳量在百分之九十以上的高性能材料。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢；与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量（指表征在弹

性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量）是其3倍多；与凯芙拉纤维（K-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。

2 碳纤维的改性技术和发展

碳纤维(ＣＦ)的表面改性主要是通过各种手段提高碳纤维的表面活性，改善其与树脂基体间的界面结合性能，从而达到提高复合材料相应性能的目的。

2.1 表面处理技术

现今国内外针对碳纤维改性的研究十分活跃，各种改性方法的主要目标有以下几点：1对ＣＦ表面造成刻蚀，形成微孔或刻蚀沟槽；2在ＣＦ表面引入极性基团或活性反应官能团；3形成与基体树脂间粘附力强的中间层；4从类石墨结构改性为碳状结构以增加表面能。

目前所采用的改性方法主要有氧化改性法和非氧化改性法，其中氧化改性法又包括气相氧化处理、液相氧化处理及氧化性等离子氧化，液相氧化处理中又包括电化学氧化和化学氧化；非氧化改性法包括晶须生长、表面涂敷、非氧化性等离子刻蚀及化学接枝。

2.1.1 电化学氧化

电化学改性处理方法又称为阳极电解氧化法，是利用碳纤维的导电性能，以碳纤维作为阳极，石墨、铜板或镍板等作为阴极，在直流电场的作用下，以不同的酸碱盐的溶液作为电解液，对碳纤维进行表面改性的方法。由于电化学氧化法拥有可连续生产、操作简单、易于控制且处理条件相对温和等优点，在工业上得到了广泛应用，是目前工厂生产中普遍应用的改性手段。

2.1.2 等离子体处理法

等离子体处理是指应用等离子体发生器产生的高能等离子体轰击碳纤维从而达到表面改性目的的改性方法。等离子体处理包括低温处理和高温处理两种，目前在纤维的表面改性中主要应用的是冷等离子体。

2.1.3 气液双效法

气液双效法是指先用液相涂层再用气相氧化，从而使ＣＦ自身的抗拉伸强度和复合材料的层间剪切强度都得到提高。研究发现，气液双效处理后ＣＦ的表面

含氧官能团增加，复合材料的剪切强度高达１００ＭＰａ，未处理的剪切强度仅为７０ＭＰａ。

2.1.4 偶联剂涂层

偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两种基团，一种是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中；另一种是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应。通过对偶联剂处理前后ＣＦ增强复合材料力学性能的研究发现，偶联剂处理后ＣＦ／ＰＡＡ复合材料的层间剪切强度提高到（２８±１．８）ＭＰａ，比未处理的增大了约７０％。在对碳纤维偶联剂处理前先用硝酸对纤维进行氧化处理，实验结果表明，先用硝酸氧化再用偶联剂处理的ＣＦ所增强的复合材料性能明显强于直接用偶联剂处理的。

2.1.5 表面电聚合

表面电聚合技术是近年发展起来的一项新的碳纤维表面处理技术，是在电场的引发作用下使物质单体在纤维表面进行聚合形成聚合物涂层，从而改善纤维表面性能，增强纤维与基体间的连接强度。研究发现，水相条件下，在ＣＦ表面通过电化学聚合吡咯后碳纤维的表面自由能提高了４０％，从而使ＣＦ在基体树脂（如环氧、尼龙）中的润湿性能大大改善。苯酚电解液对于提高酚醛树脂基复合材料的界面性能效果显著，而丙烯酸电解液对于提高环氧基复合材料的界面性能效果显著。

2.1.6 溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法是指先将碳纤维在涂层的溶胶中浸渍，然后在惰性气氛下高温焙烧使碳纤维表面获得涂层的处理方法。

2.1.7 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。

2.1.8 电子束（ＥＢ）改性