碳纖維的表面處理技術(shù)

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1、碳纖維表面改性技術(shù)摘要碳纖維是一種高性能的材料，它在軍事及工業(yè)等領(lǐng)域己得到廣泛的應(yīng)用，但由于表面結(jié)構(gòu)的不足，而限制其在復(fù)合材料屮的部分應(yīng)用，因此，為了提高碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合力，目前國(guó)內(nèi)外的多種表面改性技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，主要包描氧化處理，表面涂層法，射線、激光輻射改性及其他處理方法等。關(guān)鍵詞碳纖維，表面改性，氧化處理，表面涂層1前言碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在85%以上，它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得⑴。碳纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，具有比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)異特性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。是目前已人量生產(chǎn)的高性能纖維中具冇最高

2、的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，特別是在2000°C以上的高溫惰性環(huán)境中，碳材料是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，是其他主要結(jié)構(gòu)材料(金屬及其合金)所無(wú)法比擬的。除了優(yōu)異的力學(xué)性能外，碳纖維還兼具其他多種優(yōu)良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動(dòng)衰減性高、電及熱傳導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低、光穿透性高，非磁體但有電磁屏蔽性等。作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料，已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用,從航天、航空、汽車(chē)、電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。因此，碳纖維被認(rèn)為是高科

3、技領(lǐng)域中新型工業(yè)材料的典型代表，為世人所矚目。碳纖維產(chǎn)業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)升級(jí)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體素質(zhì)提高方面，發(fā)揮著非常重要的作用，對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和傳統(tǒng)材料的更新?lián)Q代也冇重要意義，對(duì)國(guó)防軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有舉足輕重的影響⑵。2碳纖維的簡(jiǎn)介碳纖維一般是用分解溫度低于熔融點(diǎn)溫度的纖維狀聚合物通過(guò)千度以上固相熱解而制成的，其含碳量在85%以上，在熱裂解過(guò)程中排出其它元素，形成石墨晶格結(jié)構(gòu)。根據(jù)性能的不同可分為高強(qiáng)度、高模量碳纖維，活性碳纖維和離子交換碳纖維。根據(jù)制備的原料不同可分為聚丙烯月青(PAN)基碳纖維、膠粘基碳纖維、瀝青基碳纖維、酚基碳纖維等〔"I。碳纖維是一種力學(xué)性能

4、優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000?43000Mpa亦高于鋼。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件H重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。通過(guò)在離子氣體小用腐蝕方法研究碳纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，石墨表而微品在整個(gè)纖維屮的分布是不均勻的。碳纖維由外皮層和芯層兩部分組成，外皮層和芯層Z間是連續(xù)的過(guò)渡層，其小皮層約占14%,芯層約占39%。皮層的微品尺寸較大，排列較整齊冇序。由外到內(nèi)，微品尺寸減小，排列逐漸變

5、得紊亂，結(jié)構(gòu)的不均勻性越來(lái)越顯著，稱(chēng)Z為過(guò)渡區(qū)⑶。碳纖維表面的粗糙度、微晶大小、官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量對(duì)碳纖維與樹(shù)脂基體的結(jié)合性能有很大的影響。表面未經(jīng)處理的碳纖維具有表面光滑、惰性大、表面能低，缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)，表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性，與樹(shù)脂基體浸潤(rùn)性差，這使復(fù)合材料界面粘合性能差，從而直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了碳纖維高性能的發(fā)揮。經(jīng)表面處理后，碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，如層間剪切強(qiáng)度有很大提高，因此碳纖維的表面改性研究一直是研究的熱點(diǎn)之一。I大I此，人們對(duì)碳纖維的表面進(jìn)行了許多改性研究，如空氣氧化、液相氧化、等離了體氧化和電化學(xué)陽(yáng)極氧化等方法，以增加碳纖維的活性比

6、表面積和表面含氧官能團(tuán)，改善與樹(shù)脂的粘合性，有效地利用碳纖維高強(qiáng)度高模量的優(yōu)異性能，碳纖維表面狀態(tài)的研究貝有十分重要的意義。3碳纖維的表面處理目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維表面改性進(jìn)行了很多的研究，其中研究較多的處理方法主要有氧化處理，表面層涂法，射線、激光輻射處理法及其他處理方法等⑶。3.1氧化處理法氧化處理，是通過(guò)氧化劑等將碳纖維表面氧化，處理后的碳纖維農(nóng)面含有功能性官能團(tuán)，能夠很好的改變碳纖維復(fù)合材料中的界面相容性，從而提高復(fù)合材料的機(jī)械性能等。目前，纖維碳表面氧化處理可分為液相氧化、氣相氧化、電化學(xué)氧化處理以及等離子體氧化法等⑷忙3.1.1液相氧化法液相氧化法是采用液相介質(zhì)

7、對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化的方法，液相氧化處理對(duì)改善碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的界面層間剪切強(qiáng)度很有效。常用的液相介質(zhì)有硝酸、酸性重洛酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫和過(guò)硫酸鉀等，都可以用于對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理。液相氧化的方法較氣相氧化法溫和，不易使纖維產(chǎn)生過(guò)渡的刻蝕和裂解，而口在一定條件下含氧基團(tuán)數(shù)量較氣相氧化多。最常見(jiàn)的液相氧化劑是濃硝酸，濃度一般在60%?70%,濃度過(guò)高則纖維在氧化過(guò)程中被強(qiáng)酸腐蝕，強(qiáng)度損失較大，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能提高不顯著。用硝酸氧化碳纖維,可使其表而生成竣基、輕基等酸性基團(tuán)，這些基團(tuán)的量隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高而增