碳纤维表面处理技术的研究进展样本.doc

碳纤维表面解决技术研究进展摘要：本文重要简介了碳纤维特点及碳纤维表面解决惯用办法原理和进展，并详细简介了纤维表面涂层办法和复合表面解决办法。综合各种表面解决技术，理解到复合表面解决将会成为此后研究热点。核心词：碳纤维表面解决纤维涂层复合解决前言碳纤维是纤维状碳材料，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具备耐腐蚀、高模量特性。既有碳材料“硬”固有本征，又兼备纺织纤维“柔”可加工性，是新一代军民两用新材料，广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用，对国内产业构造调节和老式材料更新换代也有重要意义[1]。众所周知，纤维表面活性在很大限度上取决于其表面表面能，活性官能团种类和数量，酸碱交互作用和表面微晶构造等因素。从表面形态上看，碳纤维表面有诸多孔隙、凹槽、杂质及结晶，这些对复合材料粘绮陛能有很大影响。从化学构成来看，碳纤维整体重要是碳、氧、氮、氢等元素，未经表面解决碳纤维表面羟基、羰基等极性基团含量较少，不利于其与基体树脂粘结[2]。碳纤维表面性质也受到其制备工艺影响，A．Fieldly[3]等采用相似表面解决办法，解决了不同牌号碳纤维，发现其表面性质有很大差别。碳纤维类石墨构造决定了其表面呈化学惰性，不易被基体树脂所浸润以及发生化学发应，与基体树脂粘结性能较差，体现为CFRP偏轴强度较低。因而，要改进CFRP界面性能，必要改进碳纤维表面性能。为了改进碳纤维复合材料界面粘接性能，必要对碳纤维表面进行解决。表面解决可起到如下3种作用”。：第一，防止弱界面层(weakboundarylayer)生成。作为WBL有：①所吸附杂质、脱模剂等；②界面层老化时形成氧化层、水合物层等：③与基体不充分浸润而所束缚空气层等。第二，产生适合于粘接表面形态，使增强材料表面生成凹凸，通过抛锚效应而提高界面粘接性能．但凹凸过多粘接也不好，因此应作恰当调节。第三，改进树脂和增强材料亲合力。例如，增强材料和树脂极性差别很大时，在增强材料表面涂上极性中档覆盖剂；还可以在表面上进行化学解决，导入某些官能团而提高界面枯接性能等。碳纤维表面解决技术长期以来，人们为了改进碳纤维这一缺陷，对碳纤维表面解决进行了大量研究工作，当前常用有气相氧化、液相氧化、等离子体氧化、电化学氧化、表面涂层、表面接枝改性等。1、气相氧化法气相氧化是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、02、03、NH3等)中，在加热、加催化剂等条件下使其表面氧化生成如-OH、-COOH、或-NH2等活性基团，氧化解决后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高碳纤维和树脂基体在界面粘接强度和复合材料力学性能[4]。可分为空气氧化法、臭氧氧化法、氨气氧化法、以及惰性气体氧化法。空气氧化重要用在碳纤维生产预氧化阶段，该阶段温度是重要控制因素。有研究表白[5]，运用03对碳纤维进行氧化解决可以提高碳纤维表面羟基和醚基官能团。氨气氧化法解决碳纤维，可以在碳纤维表面生成氨基基团，其与水和环氧树脂环氧基团形成氢键键合伙用，能明显改进纤维在环氧树脂中浸润性，提高碳纤维和基体树脂在界面物理结合和化学结合力，从而提高碳纤维树脂基复合材料力学性能。惰性气体氧化(如心等)研究相对较少，但氩气等基体对性气体，在高温解决条件下会对纤维表面导致刻蚀，致使纤维表面沟槽加深，从而有助于提高碳纤维和基体在界面处机械结合力。且惰性气体对环境无污染，环境和谐，具备一定研究价值。2、液相氧化法运用强酸或强氧化剂进行液相氧化，普通是将碳纤维浸泡在液相介质中，运用液相物质强氧化性能，在室温或加热条件下对惰性碳纤维表面氧化刻蚀，形成氧活性官能团(如-OH、-COOH等)，氧化温度和时间是重要影响因素，该法氧化较为温和，对碳纤维表面刻蚀不是很严重，对改进碳纤维／树脂复合材料层间剪切强度很有效[6]。惯用液相介质有强酸、混合酸以及强氧化剂，如浓HN03、浓H2S04、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等。该法解决时问较长，适合间歇操作，强酸、强氧化剂具备较强腐蚀性能，加热时强酸性挥发物质会挥发到空气中，这对于液相氧化设备以及操作间其她金属制品均有也许导致很大腐蚀破坏作用。3、阳极氧化法阳极氧化法，又称电化学氧化表面解决，是把碳纤维作为电解池阳极、石墨作为阴极，在电解水过程中运用阳极生成“氧”，氧化碳纤维表面碳及其氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐渐氧化成酮基、羧基和C02过程[7]。规定水纯度高，如果水中有杂质，其负离子电极位低于氢氧根负离子电极位，则阳极得不到氧气；还规定正离子电极位低于氢正离子电极位，以保证阴极只有放氢反映；此外电极必要是惰性，不参加电化反映。刘鸿鹏等[8]以石墨板为阴极、PAN基碳纤维为阳极，通过变化电解条件进行持续阳极氧化解决。