碳纖維表面改性.ppt

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1、碳纖維表面改性1121416028一.定義二.碳纖維表面結(jié)構(gòu)三.碳纖維的表面處理1氧化處理2表面電聚合3聚合物涂層4表面生成晶須法5等離子體處理四.展望碳纖維1.定義碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（ＣＦＲＰ）由于具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異特性，在航天器結(jié)構(gòu)上已得到廣泛的應(yīng)用。其中碳纖維是增強(qiáng)體，為主要的承力結(jié)構(gòu)，樹脂基體起連接纖維和傳遞載荷的作用。表面改性的原因：由于碳纖維表面惰

2、性大、表面能低，缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)，反應(yīng)活性低，與基體的粘結(jié)性差，界面中存在較多的缺陷，直接影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了碳纖維高性能的發(fā)揮，因此可以通過表面改性提高其浸潤性和粘結(jié)性。2.碳纖維表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：石墨微晶在整個(gè)纖維中的分布是不均勻的，碳纖維由外皮層和芯層兩部分組成，外皮層和芯層之間是連續(xù)的過渡層。表面改性機(jī)理：1.表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機(jī)械嵌合)2.石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的數(shù)目就越多，越有利于纖維與樹脂的粘合)3.碳纖維表面官能團(tuán)種類與數(shù)量(官能團(tuán)如一ＯＨ、一ＮＨ２)經(jīng)表面處

3、理后，碳纖維表面石墨微晶變細(xì)，不飽和碳原子數(shù)目增加，極性基團(tuán)增多，這些都有利于復(fù)合材料性能改善.碳纖維表面處理改性3.碳纖維的表面處理3.1氧化處理3.1.1氣相氧化法(圖右為氧化示意圖)氣相氧化使用的氧化劑有空氣、氧氣、臭氧等含氧氣體。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)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。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；采用濃度０．５～１５ｍｇ／Ｌ的臭氧連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐對碳纖維進(jìn)行表面處理，經(jīng)處理后碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可

4、達(dá)７８．４～１０５．８ＭＰａ；３.１.２液相氧化法液相氧化處理對改善碳纖維／樹脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度很有效。硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用于對碳纖維進(jìn)行表面處理。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團(tuán)，利于提高纖維與基體材料之間的結(jié)合力。3.1.3電化學(xué)氧化電化學(xué)氧化處理利用了碳纖維的導(dǎo)電性，一般是將碳纖維作為陽極置于電解質(zhì)溶液中。機(jī)理：通過電解所產(chǎn)生的活性氧來氧化碳纖維表面而引入極性基團(tuán)，從而改善纖維的浸潤、粘敷特性及與基體的鍵合狀況，顯著增加碳纖維

5、復(fù)合材料的力學(xué)性能。碳纖維表面氧化狀況可以通過改變反應(yīng)溫度、電解質(zhì)濃度、處理時(shí)間和電流密度等條件來進(jìn)行控制。.３．２表面涂層處理３．２．１　氣象沉積處理方法：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）一氮混合氣體處理，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(qiáng)度可提高兩倍。另一種方法是先用喹啉溶液處理碳纖維，經(jīng)干燥后在１６００攝氏度下裂解，所得到的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度可提高２．７倍３．２．２表面電聚合表面電聚合技

6、術(shù)是近年來發(fā)展起來的碳纖維表面改性的一項(xiàng)新技術(shù)，在電場的引發(fā)作用下使物質(zhì)單體在碳纖維表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，生成聚合物涂層，從而引入活性基團(tuán)使纖維與基體的連接強(qiáng)度大幅提高。如在水相條件下，在碳纖維表面電化學(xué)聚合吡咯，聚合后纖維表面自由能提高４０％，從而使纖維對樹脂基體如環(huán)氧、尼龍的浸潤性大大改善?？梢妼μ祭w維進(jìn)行表面電聚合改性對制造高力學(xué)性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料有重要意義。３．２．3聚合物涂層碳纖維經(jīng)表面處理后，再使其表面附著薄層聚合物，這就是所謂的上漿處理。這層涂覆層即保護(hù)了碳纖維表面，同時(shí)又提高了纖維對基體的浸潤性。３．２．4表面生

7、成晶須法在碳纖維表面，通過化學(xué)氣相沉積生成碳化硅、硼化金屬、二氧化鈦、硼氫化合物等晶須，能明顯提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，并且晶須質(zhì)量只占纖維的０．５％～４％，晶須含量在３％～４％時(shí)層間性能達(dá)到最大。生長晶須的過程包括成核過程以及在碳纖維表面生長非常細(xì)的高強(qiáng)度化合物單晶的過程。盡管晶須處理能獲得很好的效果，但因費(fèi)用昂貴、難以精確處理，故工業(yè)上無法采用。３．３等離子體處理用等離子體對碳纖維表面進(jìn)行輻射，可以使碳纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引入活性基團(tuán)，改善碳纖維的表面性能。等離子體處理包括高溫和低溫處理兩種。高溫處理時(shí)溫度為４０００～８

8、０００Ｋ，設(shè)備功率為８ＭＨｚ下１０ｋＷ，在含有５～１５％氬氣的混合氣中產(chǎn)生等離子體。低溫處理是在惰性氣體中、０～１５０℃、１ｘ?。保埃怠场粒保埃担校嵯庐a(chǎn)生等離子體。等離子體處理能明顯改善碳纖維表面與樹脂基體的結(jié)合力，且不影響其它強(qiáng)度