碳纤维表面活性

表面改性短切碳纤维增强聚酰亚胺复合材料
高102 张杰1008062055 摘要：短切碳纤维分别用空气氧化、稀土处理和液氮低温处理，然后用SEM、
XPS技术来比较处理前后纤维表面的变化。

结果发现三种面处理都能显著增加纤维表面积并且在表面生成许多活性官能团，增加了纤维的表面活性，进而提高了纤维与聚酰亚胺树脂的界面黏结度。

采用静态三点式弯曲负荷测定未处理及处理碳纤维增强的聚酰亚胺的弯曲性能。

采用M-2000型摩擦磨损试验机对其摩擦磨损性能进行评价。

研究结果发现，碳纤维经过表面改性后，其聚酰亚胺复合材料的力学性能和摩擦学性能都有显著的提高。

关键词：复合材料；碳纤维；表面处理；界面黏结；弯曲强度；摩擦与磨损
聚酰亚胺(PI)是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，耐高温、耐辐射，且具有优良的机械性能和摩擦学性能，被誉为“塑料之王”，尤其在高温、高压和高速等苛刻环境下具有优异的减摩润滑特性，已在航空、航天、电器、机械、化工及微电子等高技术领域得到了广泛应用。

纤维增强的聚酰亚胺(PI)树脂基复合材料具有比模量高、比强度高、耐辐射、高温下力学性能优异、使用温度范围很宽(一269℃～+400℃)等特点，在航空航天飞行器和现代武器系统、化工医药、纺织工业、汽车工业、矿山工业以及精密机械行业等金属材料或其他工程塑料无法满足要求的情况下，都可选择使用PI复合材料。

碳纤维的表面呈惰性，未经处理制备的复合材料纤维与树脂间界面黏结强度很弱，进而影响材料的应用。

对碳纤维进行表面处理的目的是清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面形成微孔和刻蚀沟槽，或者引进具有极性或反应性的官能团。

碳纤维的表面处理方法很多，比如电化学方法、等离子处理。

这些方法修饰碳纤维表面进而提高纤维与树脂基体的相互作用力。

空气氧化具有操作简单、低成本和污染少等优点.而低温液氮和稀土处理是比较新兴的处理方法，越来越引起大家的兴趣。

我们在以前的工作中已经发现短切碳纤维增强聚酰亚胺复合材料纤维的最佳质量含量约在15％左右[1引。

本文中，我们分别用空气氧化、稀土和低温液氮三种处理方法对碳纤维表面进行修饰，然后运用SEM、XPS比较处理前后纤维表面的变化。

然后分别测试了其增强
聚酰亚胺复合材料的弯曲强度和摩擦磨损情况。

我们希望这些工作对理解纤维表面处理效果有所帮助。

1实验部分
1．1原料及材料制备
PI粉：上海市合成树脂研究所生产的YS-20型聚酰亚胺模塑粉(压缩强度为120MPa)，过筛后其粒度小于88pm；短切碳纤维：长度约为1．5mm，直径约为7．8弘m，密度约为1．8g／cm3。

碳纤维先用丙酮浸泡24h，然后再用新鲜丙酮超声清洗0．5h，最后干燥备用。

空气氧化是将碳纤维置于550℃的马氟炉中氧化1．5h；低温液氮处理是将盛有碳纤维的塑料袋置于液氮(一196℃)中大约10mira稀土处理是将碳纤维浸泡到LaCla的乙醇溶液中5h，LaCl3的质量浓度约为0．3％。

将PI和经过处理的碳纤维按比例混合均匀，利用热压成型工艺制备了几种PI 复合材料样品毛坯，然后将其加工成尺寸为30mm×6mm×7mm的摩擦磨损试样以
及65mm×7×3mm的弯曲强度试样.
1．2弯曲强度测试
采用静态三点式弯曲负荷测定法在DY35万能材料试验机(法国)测定复合材料的弯曲强度。

样块尺寸为65mm×7mm×3mm，加载面为65mm×7mm，跨距为40mm，加载速度为lmm／min。

采用公式(1)来计算弯曲强度，其中P为最大载荷(N)；Z 为跨距(ram)；B为样块宽度(mm)；h为样块高度(mm)。

1．3摩擦磨损性能测试
采用M一2000型摩擦磨损试验机对PI复合材料试样的摩擦磨损
性能进行评价。

摩擦试验机摩擦副的接触示意所示。

偶件为函40mm×16mm的GCrl5轴承钢环(其化学成分如表1所示。

在摩擦磨损试验前，复合材料试样和偶件表面均经上海800#金相砂纸打磨(表面粗糙度R=0．3m)，然后用超声波将表面进行清洗。

摩擦磨损试验条件为：滑动速度0．431m／s，载荷为200N，试验时间120min.
2结果与讨论
2．1表面形貌分析
给出了未处理、空气氧化、稀土处理和低温液氮处理的碳纤维表面SEM形貌。

可以看出，处理前后有着明显的区别。

未处理碳纤维表面相对光滑并且沟壑不是很明显，空气氧化后，表面变得粗糙，出现许多沟槽，表面积大大增加。

稀土处理后，表面更加粗糙，出现许多刻蚀沟脊及沟壑，h3+有很高的电负性，因而具有极高的氧化能力，可刻蚀纤维表面从而增加表面积。

低温液氮处理[图3(d)]后，表面粗糙并且有大量碎片和沟壑出现。

这是因为碳纤维由内部的主体和表面的不定性碳两部分组成，两部分具有相反的温度膨胀系数，在低温下，表面的不定性碳具有负的温度膨胀系数，因而其从主体部分脱落，表面粗糙度大大增加。

所以碳纤维经表面改性后，其拥有更大的表面积，这样可以增加黏结强度。

2．2弯曲强度测试
未处理、空气氧化、稀土处理、低温液氮处理碳纤维增强聚酰亚胺的弯曲强度分别为193 MPa、202 MPa、212MPa、205MPa。

可以看出，空气氧化、稀土处理、低温液氮处理碳纤维增强聚酰亚胺的弯曲强度分别增加了4．7％、10．4％、6．2％。

纤维增强树脂复合材
料的弯曲强度很大程度上取决于纤维与树脂间的界面黏结。

强界面黏结力作用下，树脂可以把载荷有效的传递给纤维。

正如SEM所示，表面处理后，纤维变得粗糙，从而形成更多的机械耦合点，提供更大的界面作用。

除此以外，经过表面处理后，能在表面形成更多的活性官能团，这些活泼性的官能团能提高表面能和浸润性。

处理后的纤增强的聚酰亚胺弯曲强度增加，也表明纤维改性可以提高纤维与树脂的界面强度。

2．3摩擦磨损性能测试
给出了处理和未处理碳纤维增强聚酰亚胺样块的摩擦系数和体积磨损率。

可以发现处理碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的体积磨损率大大减小，空气氧化、稀土处理、低温液氮处理碳纤维增强聚酰亚胺的体积磨损率分别减小了10％、25％、20％，虽然摩擦系数稍微减小。

这是由于纤维与树脂的界面黏结力提高了，载荷可以有效地转移到纤维上并且可以有效阻止纤维的脱落。

未经处理的纤维增强聚酰亚胺复合材料不能有效承受载荷，导致形成严重的颗粒磨损，因而其摩擦系数和体积磨损率都比较大。

碳纤维增强聚酰亚胺的摩擦系数和体积磨损率样块
摩擦系数体积磨损率。

3结论
(1)空气氧化、稀土处理、低温液氮处理都能增加纤维表面粗糙度，增加表面积，从而纤维与树脂间可以有更多的机械耦合点，提高了二者的界面强度。

纤维表面改性后，可形成更多的活性官能团，这些结构能够进一步改善纤维与树脂的浸润性进而提高二者的界面强度。

(2)空气氧化、稀土处理、低温液氮处理碳纤维增强聚酰亚胺的弯曲强度和摩擦磨损性能均有改善。

相对于空气氧化和低温液氮处理，稀土处理效果更好。

参考文献
[1]Elq Polmear I J．Magnesium alloys and application[J]．Materials Science and Technology，1994，10(1)：1—14．
[2]Luo A，Pekguleryuz M 0．Review cast magnesium alloys for elevated temperature applications[J]．Journal of Materials Science，1994，29(20)：5259—5271．
[3]Aghion E，Bronfin B．Magnesium alloys development towards the 21st century EJ]．Materials ScienceForum，2000，350—351(1)：19—28．
[4]Wang Qu-dong，Lu Yi—zhen，Zheng Xiao-qin．Effect of RE on mierostructure and properties of AZ91magnesium alloy[J]．Tram Nonferrous Met Soc China，2000，10(2)：235—239．
[5]颜红侠，黄英，葛琦等．聚酰亚胺先进复合材料的研究进展[J]．化工新型材料，2002，30(1)：6-9．
[6]丛培红，李同生，张绪寿．口]．材料科学与工程，1998，16(1)：50—52．
[7]Wei Xie，Wei—Ping Pan，Kathy C．Chuang．Thermal characterization of PMR Polyimides．Thermochimica
Aeta，2001，367-368：143-153．
[8]王军祥，葛世荣．[J]．摩擦学学报，2000，20(1)；76—80．。