導語

碳纖維 (CF) 具有質(zhì)輕、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、導熱、散熱性好和熱膨脹系數(shù)小等特點, 經(jīng)常用作復(fù)合材料的增強體。一般CF增強樹脂基復(fù)合材料 (CFRP)的抗拉強度都在3 500 MPa以上, 是鋼的7～9倍, 抗拉彈性模量為23～43 GPa, 亦高于鋼。因此, CF增強樹脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學等領(lǐng)域。

在飛機和汽車上, 越來越多地使用CF替代金屬, 目的是減輕質(zhì)量、改善燃效性能[2]。隨著火箭、宇航及航空等尖端科學技術(shù)的需要, 對CF增強樹脂基復(fù)合材料的技術(shù)性能要求日益嚴苛, 但是, CF表面化學性呈惰性, 缺少具有活性的官能團, 所以使用未經(jīng)任何處理的CF制備復(fù)合材料, 纖維無法與基體緊密地結(jié)合, 基體的負載也就不能有效地傳遞到纖維上,CF的優(yōu)異性能得不到充分的發(fā)揮, 極大地限制了復(fù)合材料整體力學性能的提高。因此, 必須對CF進行表面處理, 用處理過的CF增強樹脂基復(fù)合材料, 可以提高其性能, 滿足某些科學領(lǐng)域?qū)ζ湫阅艿木C合要求。對CF表面進行處理, 提升纖維與基體的結(jié)合度, 充分發(fā)揮纖維的增強體作用, 對提升復(fù)合材料性能具有重大的意義。下面介紹幾種常用的碳纖維表面處理方法。

1 CF的表面處理技術(shù)

1 電化學氧化法

電化學氧化是利用碳纖維的導電性能, 以碳纖維為陽極, 石墨、銅板或鎳板等為陰極, 在直流電場的作用下, 以不同的酸堿鹽的溶液作為電解液, 對碳纖維進行表面處理的方法。表面電化學氧化處理的作用為逐層氧化刻蝕與官能團變化的復(fù)合作用過程。處理后的碳纖維表面含碳 (C) 量降低含氧 (O) 量提高, 碳纖維表面羥基和羰基明顯增加;隨著處理時間的增加, 碳纖維/樹脂復(fù)合材料層間剪切強度呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢, 但是相對于未處理的碳纖維/樹脂復(fù)合材料層間剪切強度均有提高。

2 偶聯(lián)劑涂層處理

偶聯(lián)劑是一類具有兩種不同性質(zhì)官能團的物質(zhì), 其分子結(jié)構(gòu)的特點是:一部分是親無機物的基團, 可與無機填充劑或增強材料作用; 另一部分是親有機物的基團, 可與合成樹脂作用。先用濃硫酸/濃硝酸混合酸對碳纖維進行表面氧化處理得到氧化碳纖維 (OCF) , 再利用偶聯(lián)劑KH-570與OCF進一步反應(yīng)得到KH-570接枝改性碳纖維 (KCF) , 隨后將其應(yīng)用于乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA) 復(fù)合泡沫材料中, KCF表面無序度增加, 使得其表面粗糙度提高, 比表面積增大, 改善碳纖維與EVA基體之間的浸潤性和粘結(jié)性, 從而使復(fù)合泡沫材料的力學性能得到提高。

3 氣相氧化法

氣相氧化法是采用熱空氣、氧氣 (O2) 、二氧化碳 (CO2) 、臭氧 (O3) 等氣體為介質(zhì)對CF進行氧化處理, 處理后CF比表面積和表面粗糙度增加, 表面含氧官能團的種類和數(shù)量也有所增加, 從而提高CF增強復(fù)合材料的綜合力學性能。)復(fù)合材料相對于未添加CF的復(fù)合材料,拉伸模量、拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度都有所提高。

4 液相氧化法

液相氧化法是以濃硝酸、濃硫酸、過氧化氫等氧化劑與CF長時間接觸, 在纖維表面形成羧基、羥基等基團, 增強與樹脂的結(jié)合力。處理后的CF增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度都得到提高。

5 等離子體處理

等離子處理是指用放電、高頻電磁振蕩、沖擊波及高能輻射等方法使惰性氣體或含氧氣體產(chǎn)生等離子體, 對材料的表面進行處理。在空氣條件下采用低溫等離子體技術(shù)對CF進行表面改性, 處理后的CF表面引入了新官能團, 表面粗糙度增加, 提高了CF和樹脂基體的界面粘結(jié)。

2 CF表面處理技術(shù)的優(yōu)缺點

在電化學氧化表面處理中, 由于細晶化和氧化刻蝕的作用, CF表面和樹脂基體間的薄弱環(huán)節(jié)減少, 使CF增強的樹脂基復(fù)合材料層間剪切強度提高, 并且這種方法操作起來相對簡單,進行表面處理時處理環(huán)境比較容易控制, 可連續(xù)化在線操作;但是, 這種方法會使CF的拉伸強度受到影響或折損。在用偶聯(lián)劑涂層處理CF時, 一般使用最多的就是硅烷偶聯(lián)劑, 硅烷偶聯(lián)劑可以讓兩種性能差異很大的材料界面偶聯(lián)起來, 以提高復(fù)合材料的性能, 從而獲得性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料;但是, 在選擇硅烷偶聯(lián)劑時, 一般要求選擇的硅烷偶聯(lián)劑必須帶有能與基體樹脂起反應(yīng)的基團, 所以不同的樹脂基體必須選擇相應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑, 從而增加了處理過程中的復(fù)雜性和限制性。。氣相氧化法一般使用空氣或O3對CF進行氧化處理, 沒有污染排放, 處理綠色化, 而且設(shè)備簡單, 成本較低, 是目前比較常用的一種方法。液相氧化處理可消除CF表面裂紋或使裂紋尖端鈍化,從而提高其拉伸強度;但是, 由于液相氧化處理過程中經(jīng)常要使用到濃硝酸, 而濃硝酸具有腐蝕性從而使該處理方法帶有一定的危險性;另外,用這種方法處理CF需要特別注意濃硝酸處理的時間, 太低會使復(fù)合材料達不到預(yù)期性能要求, 太高會使CF表面產(chǎn)生刻蝕斑, 導致拉伸強度下降。等離子體處理CF最常用的是低溫等離子體技術(shù), 該技術(shù)是一種干式工藝, 具有節(jié)能、無公害、處理時間短、效率高以及能滿足環(huán)境保護要求等優(yōu)點, 但是無法滿足大型CF生產(chǎn)過程中CF表面處理環(huán)節(jié)連續(xù)化生產(chǎn)的實際要求, 并且該技術(shù)對設(shè)備的要求較高。

結(jié)語

近年來, 由于碳納米材料可顯著增加CF的表面粗糙度、彌補其表面缺陷并且對纖維無損傷, 因此, 采用碳納米管和石墨烯等 還有能量束處理法、稀土處理法等新型處理技術(shù)也因為對CF本體傷害較小而成為當前研究熱點。隨著科技的發(fā)展, 改性方法的不斷進步和改性工藝的日趨成熟,碳納米材料對CF進行表面處理已成為CF處理的熱點, CF增強復(fù)合材料在性能方面呈整體快速上升趨勢。

目前, 隨著環(huán)境問題的日益突出以及我國航天事業(yè)的發(fā)展, 使用高強度、高模量、質(zhì)輕的CF增強聚合物復(fù)合材料已越來越多, 各種CF表面處理技術(shù)將獲得更高的關(guān)注,今后CF表面處理技術(shù)的低成本化、綠色化和連續(xù)生產(chǎn)化將是重點研究方向。

特別聲明：本站所轉(zhuǎn)載其他網(wǎng)站內(nèi)容，出于傳遞更多信息而非盈利之目的，同時并不代表贊成其觀點或證實其描述，內(nèi)容僅供參考。版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請聯(lián)系我們刪除。