碳纤维表面处理技术的研究进展.doc

碳纤维表面处理技术的研究进展摘要：本文主要介绍了碳纤维的特点及碳纤维表面处理常用方法的原理和进展，并详细介绍了纤维表面涂层的方法和复合表面处理方法。综合各种表面处理技术，了解到复合表面处理将会成为今后研究热点。关键词：碳纤维表面处理纤维涂层复合处理前言碳纤维是纤维状的碳材料，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。既有碳材料“硬”的固有本征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性，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，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义[1]。众所周知，纤维的表面活性在很大程度上取决于其表面的表面能，活性官能团的种类和数量，酸碱交互作用和表面微晶结构等因素。从表面形态上看，碳纤维的表面有很多孔隙、凹槽、杂质及结晶，这些对复合材料的粘绮陛能有很大影响。从化学组成来看，碳纤维整体主要是碳、氧、氮、氢等元素，未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团的含量较少，不利于其与基体树脂的粘结[2]。碳纤维的表面性质也受到其制备工艺的影响，A．Fieldly[3]等采用相同的表面处理方法，处理了不同牌号的碳纤维，发现其表面性质有很大差异。碳纤维的类石墨结构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，与基体树脂的粘结性能较差，表现为CFRP的偏轴强度较低。因此，要改善CFRP的界面性能，必须改善碳纤维的表面性能。为了改善碳纤维复合材料的界面粘接性能，必须对碳纤维表面进行处理。表面处理可起到以下3种作用”。：第一，防止弱界面层(weakboundarylayer)的生成。作为WBL有：①所吸附的杂质、脱模剂等；②界面层老化时形成的氧化层、水合物层等：③与基体的不充分浸润而所束缚的空气层等。第二，产生适合于粘接的表面形态，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，所以应作适当调整。第三，改善树脂和增强材料的亲合力。例如，增强材料和树脂的极性差异很大时，在增强材料表面涂上极性中等的覆盖剂；还可以在表面上进行化学处理，导入一些官能团而提高界面枯接性能等。碳纤维的表面处理技术长期以来，人们为了改善碳纤维的这一缺点，对碳纤维表面处理进行了大量的研究工作，目前常见的有气相氧化、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，氧化处理后，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的粘接强度和复合材料的力学性能[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。空气氧化主要用在碳纤维生产预氧化阶段，该阶段温度是主要的控制因素。有研究表明[5]，利用03对碳纤维进行氧化处理能够提高碳纤维表面的羟基和醚基官能团。氨气氧化法处理碳纤维，可以在碳纤维表面生成氨基基团，其与水和环氧树脂的环氧基团形成氢键键合作用，能明显改善纤维在环氧树脂中的浸润性，提高碳纤维和基体树脂在界面的物理结合和化学结合力，从而提高碳纤维树脂基复合材料的力学性能。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，在高温处理的条件下会对纤维表面造成刻蚀，致使纤维表面沟槽加深，从而有利于提高碳纤维和基体在界面处的机械结合力。且惰性气体对环境无污染，环境友好，具有一定的研究价值。2、液相氧化法利用强酸或强氧化剂进行液相氧化，通常是将碳纤维浸泡在液相介质中，利用液相物质的强氧化性能，在室温或加热的条件下对惰性的碳纤维表面氧化刻蚀，形成氧活性官能团(如-OH、-COOH等)，氧化温度和时间是主要的影响因素，该法氧化较为温和，对碳纤维表面刻蚀不是很严重，对改善碳纤维／树脂复合材料的层间剪切强度很有效[6]。常用的液相介质有强酸、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。该法处理时问较长，适合间歇操作，强酸、强氧化剂具有较强的腐蚀性能，加热时强酸性挥发物质会挥发到空气中，这对于液相氧化的设备以及操作间的其他金属制品都有可能造成很大的腐蚀破坏作用。3、阳极氧化法阳极氧化法，又称电化学氧化表面处理，是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和C02的过程[7]。要求水的纯度高，如果水中有杂质，其负