碳纤维复合材料的界面改性技术.pdf

侯静强,等:碳纤维复合材料的界面改性技术85

碳纤维复合材料的界面改性技术

侯静强张冠解廷秀
[上海杰事杰新材料(集团)股份有限公司,上海201109]

摘要针对碳纤维(CF)表面特有的物理、化学性质及不同树脂基体的特性,概述了国内外关于CF气相氧化、
液相氧化、化学气相沉积、晶须生长、等离子处理、表面上浆及表面化学接枝等界面改性技术,并对CF复合材料的界
面改性技术提出了一些思路。
关键词碳纤维界面改性化学接枝

碳纤维(CF)是一种高性能的增强材料,复合材料中CF层组成。该理论认为,CF在生产过程中纤维内部碳元素受
和周围基体树脂间的界面性质与其结构直接相关。这种界到的引力作用是平衡的,并且具有高的键能和低的反应性。
面结构主要由CF表面的物理化学性质所决定,其中包括CF相反,纤维表面的一些碳元素是不平衡的并具有较高的反应
表面化学基团、微观形态、表面积和表面自由能等。由于生性。因此,CF表面的反应活性主要取决于不平衡碳元素的
产过程中CF经过高温惰性气体中的炭化处理,随着非碳元数量。CF的模量越高,表面微晶取向程度越大,非平衡碳元
素的逸走和碳的富集,其表面活性降低,表面张力下降,与树素越少,反应活性越低;反之CF模量越低,表面微晶取向程
脂的浸润性变差。在纤维增强聚合物复合材料中,复合材料度越小,非平衡碳元素越多,反应活性越高[17-18]。
的性能严格依赖于纤维和基体树脂间界面的微观结构和性2表面处理技术
能。界面是纤维和基体树脂发生化学及物理作用的区CF表面处理对纤维-基体之间的界面性质有着十分重
域[1-3],其在纤维和树脂基体之间起到了十分重要的作用,要的影响,特别是在纤维与聚合物间形成有效的界面粘结方
即承担及传递载荷的作用。因此,复合材料的最终性能将很面。弱的化学键合将导致基体和纤维之间载荷传递变差。
大程度上由界面作用的好坏决定。良好的界面结合将赋予但是,过强的界面结合会导致复合材料的韧性下降。通常认
材料高的剪切强度、抗疲劳性和耐腐蚀性。但是,由于不同为,有效的表面处理技术能够去除弱的界面层并且在表面增
聚合物在成型过程中的差异及缺乏较好的界面控制,使得许加一定数量的活性基团。CF的表面处理通常可分为表面氧
多性能优异的聚合物和纤维在其复合材料中不能充分发挥化性处理和非氧化性处理。氧化处理又可分为气相氧化处
其性能上的优势[4-6]。为了改变这种复合后材料性能上的理、液相氧化处理及氧化性等离子氧化,其中液相氧化包含
缺陷,研究者们进行了大量关于CF复合材料界面改性方面化学氧化和电化学氧化。非氧化处理包括表面涂层沉积、晶
的研究,其中包括对CF表面干湿法(气相、液相)的氧化处须生长、非氧化性等离子刻蚀及表面化学接枝。
理[7-10]、等离子处理[11]、电化学沉积[12]、电聚合[13]、纤维表2.1气相氧化处理
面涂层[14]及表面化学接枝等。目前,诸多表面改性主要集气相氧化是利用空气、氧气或含氧的气体(二氧化碳和
中在提高复合材料界面粘结、改善界面剪切强度等方面,但臭氧)来进行的。通常,CF在空气中的氧化处理虽然比较方
对于CF复合材料的韧性而言并没有得到很好的解决。即便[19],但是对提高复合材料剪切强度而言并不是十分有效。
使一些学者通过在CF表面包覆一层橡胶状柔性聚合物的空气氧化处理通常在较高的温度下进行,处理温度一般控制
方法来提高复合材料的冲击强度,也必须以牺牲一定的强度在350~600e。如此高的温度会使得纤维结构破坏并使得
和模量为代价。因此,开发高强度、高韧性的CF复合材料纤维质量减少产生失重。氧化处理增加了纤维表面积、表面
是研究者研究的工作重点。在前人大量科研工作的基础上,粗糙度和孔径,纤维表面粗糙度的增加导致树脂/纤维复合
笔者就CF复合材料的界面改性技术作一概述,希望能够为材料剪切强度的增加。但是,这种气相氧化十分剧烈,易对
提高CF复合材料的综合性能提供一些新的思路。纤维本体产生较大损伤。如果能在缓和的氧化条件下得到
1结构及化学组成较好的氧化效果,又能够减小对纤维的损伤,将会使气相氧
CF由二维乱层石墨微晶构成,微晶沿纤维轴向择优取化技术得到进一步的推广。1972年R.Sach等[20]报道了关

向排列。CF表面存在大量裂纹、孔隙、孔洞及杂质。R.Per-于CF添加少量氧化抑制剂后(如:卤素、SO2及卤代碳氢化
ret[15]用X射线衍射及透射电子显微镜研究了聚丙烯腈物等)在空气中的氧化。报道指出,该条件下氧化温和而缓
(PAN)基CF,并提出了条带模型理论。该理论认为PAN基慢,纤维本体损伤小,而纤维与基体的界面粘结效果得到显
CF的基本结构是相互键合的苯环沿纤维轴向排列并伸展形著提高。一些含氧化合物也能对CF表面进行处理并能得
成树枝状纤维的网络,它们形成了SP