碳纤维复合材料的界面改性技术
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便 ， 但是对提高复合材料剪切强度 而言并不 是十分有效 。 空气氧化处理通 常在较高 的温度下 进行 ， 处理温度一般 控制
在 ３０～ ０ ￣ ５ ６０Ｃ。如此 高的温度会使 得纤维 结构 破坏并使 得
纤 维质量减少产生失重 。氧化处理增加 了纤 维表 面积 、 表面
粗 糙度和孔径 ， 维表面粗 糙度 的增加 导致树 脂／ 维复合 纤 纤 材 料剪 切强度的增加 。但 是 ， 这种气 相氧 化十分 剧烈 ， 易对 纤 维本 体产生较大损 伤。如果 能在缓和 的氧化 条件 下得到 较好 的氧化 效果 ， 能够减小 对纤维 的损 伤 ， 会使 气相氧 又 将 化技术得 到进一步 的推广 。１７ ９ ２年 Ｒ Ｓｅ ． ａｈ等 报 道 了关 于Ｃ Ｆ添加少量 氧化 抑制 剂后 （ ： 如 卤素 、 ｏ 及 卤代碳 氢化 ｓ 物等 ） 在空气 中的氧化 。报 道指 出 ， 条件下 氧化温 和而缓 该 慢， 纤维本体损伤小 ， 而纤维 与基体 的界 面粘结 效果得 到显 著提高 。一些含 氧化 合物也能对 Ｃ Ｆ表面 进 行 处 理 并 能 得
侯静强 ， ： 等 碳纤维复合材料 的界 面改性技术
８ ５
碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 改 性 技 术
侯静 强 张 冠 解廷秀
２ １０ ］ ０ １９ ［ 上海杰事杰新材料 （ 团） 集 纤维（ Ｆ 表 面特有的物理 、 Ｃ） 化学性质及不 同树脂基体 的特性 ， 概述 了国内外关于 Ｃ Ｆ气相氧化 、 液
相反 ， 纤维表 面的一些 碳元 素是不平衡的并具有较高的 反应
碳纤维（ ｒ 是一种高性能 的增强材 料 ， 合材料 中 Ｃ Ｃ） 复 Ｆ 和周围基体树脂间 的界 面性质 与其结 构直 接相关 。这种 界 面结构主要 由 Ｃ Ｆ表面的物理化学性质所决定 ， 其中包括 Ｃ Ｆ 表面化学基团 、 微观形 态 、 表面积 和表 面 自由能等 。由于 生 产过程 中 Ｃ Ｆ经过 高温惰性 气体 中的炭 化处理 ， 随着 非碳元
素越少 ， 反应活性越低 ； 反之 Ｃ Ｆ模 量越 低 ， 面微 晶取 向程 表 度越小 ， 非平衡碳元素越多 ， 反应活性越高
２ 表 面 处 理 技 术
。
Ｃ Ｆ表面处理对纤维 一 基体之 间的界面性质有 着十分重 要 的影 响 ， 特别是在纤维与聚合物 间形成有效 的界 面粘 结方
域 －Ｊ其在纤维和树脂 基体 之 间起 到 了十分 重要 的作 用 ， ３， 即承担及传递载荷 的作用 。因此 ， 复合材料的最终性 能将很
相氧化 、 化学气相沉积 、 晶须生长、 离子 处理 、 面上浆及表 面化 学接枝 等界面改性技 术 ， 等 表 并对 Ｃ Ｆ复合材 料的界 面
改性 技 术 提 出 了一 些 思路 。
关键词
碳 纤维 界 面
改性
化学接枝 层组成 。该理论认为 ， Ｆ在 生产 过程 中纤维 内部 碳元 素受 Ｃ 到的引力作用是平衡 的 ， 且具有 高的键 能 和低 的反 应性 。 并
聚合物在成 型过程中的差异及缺乏较好 的界 面控 制 ， 使得 许
多性能优异的聚合物和纤 维在其 复合 材料 中不 能充 分发挥 其 性能上的优势 Ｊ 。为 了改 变这种 复合 后材 料性 能上 的 缺陷， 研究者们进行 了大量关 于 Ｃ Ｆ复 合材料 界面改 性方 面 的研究 ， 其中包括对 Ｃ Ｆ表 面干湿 法 （ 气相 、 相 ） 液 的氧 化处 理 － ］等离子处理 ］电化学沉积 ］ 电聚合 ］纤 维表 １、 ｏ “、 、 ”、
收稿 日期 ：０ ０ ０ －０ ２ １ —２２
笔者就 Ｃ Ｆ复合材料 的界 面改性技 术作一 概述 ， 希望 能够为 提高 Ｃ Ｆ复合材料 的综合性 能提 供一 些新 的思路 。
方法来 提高复合 材料的冲击强度 ， 也必须以牺牲一定 的强度 和模量为代价 。因此 ， 发高 强度 、 韧性 的 Ｃ 开 高 Ｆ复合 材 料 是研究 者研究 的工作 重点 。在前人大量科研工作 的基 础上 ，
气相氧化是 利用 空气 、 氧气或 含氧 的气体 （ 二氧化 碳和 臭氧 ） 来进行 的。通常 ， Ｆ在空气 中的氧化处理虽然 比较方 Ｃ
加一定数量 的活性基 团。Ｃ Ｆ的表面处理通 常可分为表 面氧
化性处理和非氧化性 处理 。氧化 处理 又可分 为气相 氧化处
理、 液相氧化处理及 氧化性 等离子 氧化 ， 中液 相氧 化包含 其
化 学氧化和 电化学氧化 。非氧化处理包括表 面涂层沉 积 、 晶 须 生长 、 非氧化性等离子刻蚀及 表面化学接枝 。
性。因此 ， Ｆ表面 的反 应活性 主要 取决 于不 平衡碳 元素 的 Ｃ
数 量。Ｃ Ｆ的模量越 高 ， 表面微 晶取 向程 度越大 ， 非平衡碳元
素的逸走 和碳 的富集 ， 其表 面活性 降低 ， 表面张力下 降 ， 与树
脂 的浸润性变差 。在纤维增 强聚合物复合材料 中， 复合材料 的性能严格依赖 于纤 维和基 体树脂 间界 面的微 观结构 和性 能 。界 面是 纤 维 和 基 体 树 脂 发 生 化 学 及 物 理 作 用 的 区
大程度上 由界面作用 的好坏 决定 。良好 的界 面结合 将赋 予 材料高的剪切强度 、 疲劳 性和 耐腐蚀 性。但是 ， 抗 由于不 同
面 。弱 的化学键 合将 导 致基 体 和纤 维之 间 载荷 传递 变差 。 但是 ， 强的界面结合会导致复合材料 的韧性下 降。通 常认 过
为， 有效 的表 面处 理技 术能够去除弱 的界面层并且在表 面增
２ １ 气 相 氧 化 处 理 ．
面涂层 及表 面化 学接枝 等。 目前 ， 多表 面改性 主 要集 诸 中在提高复合材料界 面粘结 、 善界 面剪 切强 度等 方面 ， 改 但 对于 Ｃ Ｆ复合材料 的韧 性 而言 并没 有得 到很 好 的解决 。即 使一些学者通过在 Ｃ Ｆ表 面包 覆一 层橡 胶 状柔 性 聚合物 的
在 ３０～ ０ ￣ ５ ６０Ｃ。如此 高的温度会使 得纤维 结构 破坏并使 得
纤 维质量减少产生失重 。氧化处理增加 了纤 维表 面积 、 表面
粗 糙度和孔径 ， 维表面粗 糙度 的增加 导致树 脂／ 维复合 纤 纤 材 料剪 切强度的增加 。但 是 ， 这种气 相氧 化十分 剧烈 ， 易对 纤 维本 体产生较大损 伤。如果 能在缓和 的氧化 条件 下得到 较好 的氧化 效果 ， 能够减小 对纤维 的损 伤 ， 会使 气相氧 又 将 化技术得 到进一步 的推广 。１７ ９ ２年 Ｒ Ｓｅ ． ａｈ等 报 道 了关 于Ｃ Ｆ添加少量 氧化 抑制 剂后 （ ： 如 卤素 、 ｏ 及 卤代碳 氢化 ｓ 物等 ） 在空气 中的氧化 。报 道指 出 ， 条件下 氧化温 和而缓 该 慢， 纤维本体损伤小 ， 而纤维 与基体 的界 面粘结 效果得 到显 著提高 。一些含 氧化 合物也能对 Ｃ Ｆ表面 进 行 处 理 并 能 得
侯静强 ， ： 等 碳纤维复合材料 的界 面改性技术
８ ５
碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 改 性 技 术
侯静 强 张 冠 解廷秀
２ １０ ］ ０ １９ ［ 上海杰事杰新材料 （ 团） 集 纤维（ Ｆ 表 面特有的物理 、 Ｃ） 化学性质及不 同树脂基体 的特性 ， 概述 了国内外关于 Ｃ Ｆ气相氧化 、 液
相反 ， 纤维表 面的一些 碳元 素是不平衡的并具有较高的 反应
碳纤维（ ｒ 是一种高性能 的增强材 料 ， 合材料 中 Ｃ Ｃ） 复 Ｆ 和周围基体树脂间 的界 面性质 与其结 构直 接相关 。这种 界 面结构主要 由 Ｃ Ｆ表面的物理化学性质所决定 ， 其中包括 Ｃ Ｆ 表面化学基团 、 微观形 态 、 表面积 和表 面 自由能等 。由于 生 产过程 中 Ｃ Ｆ经过 高温惰性 气体 中的炭 化处理 ， 随着 非碳元
素越少 ， 反应活性越低 ； 反之 Ｃ Ｆ模 量越 低 ， 面微 晶取 向程 表 度越小 ， 非平衡碳元素越多 ， 反应活性越高
２ 表 面 处 理 技 术
。
Ｃ Ｆ表面处理对纤维 一 基体之 间的界面性质有 着十分重 要 的影 响 ， 特别是在纤维与聚合物 间形成有效 的界 面粘 结方
域 －Ｊ其在纤维和树脂 基体 之 间起 到 了十分 重要 的作 用 ， ３， 即承担及传递载荷 的作用 。因此 ， 复合材料的最终性 能将很
相氧化 、 化学气相沉积 、 晶须生长、 离子 处理 、 面上浆及表 面化 学接枝 等界面改性技 术 ， 等 表 并对 Ｃ Ｆ复合材 料的界 面
改性 技 术 提 出 了一 些 思路 。
关键词
碳 纤维 界 面
改性
化学接枝 层组成 。该理论认为 ， Ｆ在 生产 过程 中纤维 内部 碳元 素受 Ｃ 到的引力作用是平衡 的 ， 且具有 高的键 能 和低 的反 应性 。 并
聚合物在成 型过程中的差异及缺乏较好 的界 面控 制 ， 使得 许
多性能优异的聚合物和纤 维在其 复合 材料 中不 能充 分发挥 其 性能上的优势 Ｊ 。为 了改 变这种 复合 后材 料性 能上 的 缺陷， 研究者们进行 了大量关 于 Ｃ Ｆ复 合材料 界面改 性方 面 的研究 ， 其中包括对 Ｃ Ｆ表 面干湿 法 （ 气相 、 相 ） 液 的氧 化处 理 － ］等离子处理 ］电化学沉积 ］ 电聚合 ］纤 维表 １、 ｏ “、 、 ”、
收稿 日期 ：０ ０ ０ －０ ２ １ —２２
笔者就 Ｃ Ｆ复合材料 的界 面改性技 术作一 概述 ， 希望 能够为 提高 Ｃ Ｆ复合材料 的综合性 能提 供一 些新 的思路 。
方法来 提高复合 材料的冲击强度 ， 也必须以牺牲一定 的强度 和模量为代价 。因此 ， 发高 强度 、 韧性 的 Ｃ 开 高 Ｆ复合 材 料 是研究 者研究 的工作 重点 。在前人大量科研工作 的基 础上 ，
气相氧化是 利用 空气 、 氧气或 含氧 的气体 （ 二氧化 碳和 臭氧 ） 来进行 的。通常 ， Ｆ在空气 中的氧化处理虽然 比较方 Ｃ
加一定数量 的活性基 团。Ｃ Ｆ的表面处理通 常可分为表 面氧
化性处理和非氧化性 处理 。氧化 处理 又可分 为气相 氧化处
理、 液相氧化处理及 氧化性 等离子 氧化 ， 中液 相氧 化包含 其
化 学氧化和 电化学氧化 。非氧化处理包括表 面涂层沉 积 、 晶 须 生长 、 非氧化性等离子刻蚀及 表面化学接枝 。
性。因此 ， Ｆ表面 的反 应活性 主要 取决 于不 平衡碳 元素 的 Ｃ
数 量。Ｃ Ｆ的模量越 高 ， 表面微 晶取 向程 度越大 ， 非平衡碳元
素的逸走 和碳 的富集 ， 其表 面活性 降低 ， 表面张力下 降 ， 与树
脂 的浸润性变差 。在纤维增 强聚合物复合材料 中， 复合材料 的性能严格依赖 于纤 维和基 体树脂 间界 面的微 观结构 和性 能 。界 面是 纤 维 和 基 体 树 脂 发 生 化 学 及 物 理 作 用 的 区
大程度上 由界面作用 的好坏 决定 。良好 的界 面结合 将赋 予 材料高的剪切强度 、 疲劳 性和 耐腐蚀 性。但是 ， 抗 由于不 同
面 。弱 的化学键 合将 导 致基 体 和纤 维之 间 载荷 传递 变差 。 但是 ， 强的界面结合会导致复合材料 的韧性下 降。通 常认 过
为， 有效 的表 面处 理技 术能够去除弱 的界面层并且在表 面增
２ １ 气 相 氧 化 处 理 ．
面涂层 及表 面化 学接枝 等。 目前 ， 多表 面改性 主 要集 诸 中在提高复合材料界 面粘结 、 善界 面剪 切强 度等 方面 ， 改 但 对于 Ｃ Ｆ复合材料 的韧 性 而言 并没 有得 到很 好 的解决 。即 使一些学者通过在 Ｃ Ｆ表 面包 覆一 层橡 胶 状柔 性 聚合物 的