碳纖維表面處理技術(shù)的進展

1、碳纖維表面處理技術(shù)的進展1碳纖維表面處理技術(shù)的進展碳纖維表面處理技術(shù)的進展材碩114班（030110586）張濤摘要：碳纖維是有機纖維經(jīng)固相反應(yīng)而成的纖維狀聚合物碳[1]。目前國產(chǎn)高性能碳纖維，其抗張強度、抗張模量及斷裂伸長基本上與國外T300碳纖維相當(dāng)，但制成碳纖維復(fù)合材料后，但性能卻低于相應(yīng)進口碳纖維制成的復(fù)合材料，特別是層間剪切強度很低，嚴(yán)重影響了其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。所以碳纖維的表面處理技術(shù)對于復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。碳纖

2、維的改性處理，大致可分為表面氧化法、表面涂層處理、超聲處理技術(shù)和γ射線輻射處理等。關(guān)鍵詞：碳纖維，表面處理，研究進展1.前言碳纖維是六十年代初期，由于高分子化學(xué)和炭素科學(xué)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型特種纖維。碳纖維既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，因此近年來發(fā)展十分迅速，在航空航天、汽車、化工、能源、交通、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。眾所周知，纖維的表面活性在很大程度上取決于其表面的表面能，活性官能團的種類和數(shù)量，酸

3、堿交互作用和表面微晶結(jié)構(gòu)等因素。從表面形態(tài)上看，碳纖維的表面有很多孔隙、凹槽、雜質(zhì)及結(jié)晶，這些對復(fù)合材料的粘結(jié)性能有很大影響。故采用合理的表面處理技術(shù)對復(fù)合材料的綜合性能顯得至關(guān)重要，從而改善碳纖維與基體樹脂之間的粘結(jié)強度，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異力學(xué)性能。近年來對碳纖維表面進行改性處理，改善碳纖維與基體樹脂之間的粘結(jié)強度，以充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異力學(xué)性能，一直是人們關(guān)注的問題。目前常用的表面處理方法，都是在碳纖維表面發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，

4、增加其表面形貌的復(fù)雜性和極性基團的含量，從而提高碳纖維與基體樹脂的界面性能，實現(xiàn)提高復(fù)合材料整體力學(xué)性能的最終目的。2.常用的碳纖維表面處理技術(shù)2.1氧化法2.1.1氣相氧化法氣相氧化使用的氧化劑有空氣、氧氣、臭氧等含氧氣體[3]。具有代表性的實例有：在空氣中氧化處理.如把碳纖維在450℃下空氣中氧化10min，所制備的復(fù)合材料的剪切強度和拉伸強度都有提高[4]。其原因是：氧化處理后，碳纖維表面積增大，官能基團增多，可以提高復(fù)合材料界面

5、的粘接強度和材料的力學(xué)性能。但是，高溫氧化或急速氧化會使碳纖維表面顯著地起凹坑而降低碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[5]。概括說來，氣碳纖維表面處理技術(shù)的進展3涂層法、聚合物涂層法、晶須生長法、等離子體法等。下面就讓我們來看幾個典型的例子。2.2非氧化法2.2.1等離子氧化處理采用低溫等離子或微波等離子對碳纖維進行表面處理也是行之有效的方法，該方法的特點是氣固反應(yīng)無污染，處理時間較短，氧等離子體的處理效果較好。但是，等離子體的產(chǎn)生需要一定的真

6、空環(huán)境，所以設(shè)備復(fù)雜，給連續(xù)、穩(wěn)定和長時間處理帶來一定的困難。所以該方法仍處于研究和完善階段[11]。通過等離子體既能洗凈表面，又能發(fā)生化學(xué)變化，從而使復(fù)合材料層間剪切強度提高210倍[12]。等離子體處理的優(yōu)點：①幾秒鐘的時間就能獲得所需要的效果。②被處理物表面性質(zhì)經(jīng)改性而產(chǎn)生巨大的改變，而材料本體相的性質(zhì)基本保持不變。③經(jīng)改性的表面厚度可達(dá)幾微米之多。但該方法也不是十全十美，它還存在著對不同的基體如何選擇合適的氣體以及處理時間對纖維

7、本身的損害等問題。故選用該方法對碳纖維進行表面處理時應(yīng)當(dāng)與其他方法進行比較后進行綜合考慮。2.2.2氣相沉積法近年來，用氣相沉積技術(shù)對碳纖維進行涂覆處理是碳纖維改性的一個重要方面。在高模量結(jié)晶型碳纖維表面沉積一層無定性碳來提高其界面粘接性能。涂層方法主要有兩種，一是把碳纖維加熱到1200℃，用甲烷（乙炔、乙烷）氮混合氣體處理，甲烷在碳纖維表面分解，形成無定型碳的涂層。處理后所得到的復(fù)合材料層間剪切強度可提高兩倍。另一種方法是先用喹啉溶液

8、處理碳纖維，經(jīng)干燥后在1600℃下裂解，所得到的復(fù)合材料層間剪切強度可提高2.7倍[13，14]。另外還可以用羧基鐵、二茂鐵和酚醛等的熱解后的沉積物來提高界面性能。氣相沉積處理法是在碳纖維和樹脂的界面引入活性炭的塑性界面區(qū)來松弛應(yīng)力，從而提高了復(fù)合材料的界面性能。但氣相沉積處理法所需溫度較高，有一定危險性，且工藝條件苛刻，未能實現(xiàn)廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。2.2.3電聚合所謂電聚合是在電場力作用下使含有活性基團的單體在碳纖維表面聚合成膜，以改善