碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展

1、碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展1碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展材碩114班（030110586）張濤摘要：碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)而成的纖維狀聚合物碳[1]。目前國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維，其抗張強(qiáng)度、抗張模量及斷裂伸長(zhǎng)基本上與國(guó)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(jìn)口碳纖維制成的復(fù)合材料，特別是層間剪切強(qiáng)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(duì)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(jìn)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(tuán)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(duì)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(duì)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(qiáng)度，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異力學(xué)性能。近年來對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性處理，改善碳纖維與基體樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)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(tuán)的含量，從而提高碳纖維與基體樹脂的界面性能，實(shí)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(shí)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(qiáng)度和拉伸強(qiáng)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(tuán)增多，可以提高復(fù)合材料界面

5、的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。但是，高溫氧化或急速氧化會(huì)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(jìn)展3涂層法、聚合物涂層法、晶須生長(zhǎng)法、等離子體法等。下面就讓我們來看幾個(gè)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(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理也是行之有效的方法，該方法的特點(diǎn)是氣固反應(yīng)無(wú)污染，處理時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(qiáng)度提高210倍[12]。等離子體處理的優(yōu)點(diǎn)：①幾秒鐘的時(shí)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(duì)不同的基體如何選擇合適的氣體以及處理時(shí)間對(duì)纖維

7、本身的損害等問題。故選用該方法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理時(shí)應(yīng)當(dāng)與其他方法進(jìn)行比較后進(jìn)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(duì)碳纖維進(jìn)行涂覆處理是碳纖維改性的一個(gè)重要方面。在高模量結(jié)晶型碳纖維表面沉積一層無(wú)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(wú)定型碳的涂層。處理后所得到的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)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(qiáng)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(xiǎn)性，且工藝條件苛刻，未能實(shí)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(chǎng)力作用下使含有活性基團(tuán)的單體在碳纖維表面聚合成膜，以改善