碳纤维表面改性.ppt

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1、碳纤维表面改性1121416028一.定义二.碳纤维表面结构三.碳纤维的表面处理1氧化处理2表面电聚合3聚合物涂层4表面生成晶须法5等离子体处理四.展望碳纤维1.定义碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，是一种力学性能优异的新材料。碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）由于具有密度小、比强度高、比模量高、热膨胀系数小等一系列优异特性，在航天器结构上已得到广泛的应用。其中碳纤维是增强体，为主要的承力结构，树脂基体起连接纤维和传递载荷的作用。表面改性的原因：由于碳纤维表面惰

2、性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥，因此可以通过表面改性提高其浸润性和粘结性。2.碳纤维表面结构结构：石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的，碳纤维由外皮层和芯层两部分组成，外皮层和芯层之间是连续的过渡层。表面改性机理：1.表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合)2.石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的数目就越多，越有利于纤维与树脂的粘合)3.碳纤维表面官能团种类与数量(官能团如一ＯＨ、一ＮＨ２)经表面处

3、理后，碳纤维表面石墨微晶变细，不饱和碳原子数目增加，极性基团增多，这些都有利于复合材料性能改善.碳纤维表面处理改性3.碳纤维的表面处理3.1氧化处理3.1.1气相氧化法(图右为氧化示意图)气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧气体。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。如把碳纤维在４５０℃下空气中氧化１０min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高；采用浓度０．５～１５ｍｇ／Ｌ的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理，经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可

4、达７８．４～１０５．８ＭＰａ；３.１.２液相氧化法液相氧化处理对改善碳纤维／树脂复合材料的层间剪切强度很有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂，用硝酸氧化碳纤维，可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团，利于提高纤维与基体材料之间的结合力。3.1.3电化学氧化电化学氧化处理利用了碳纤维的导电性，一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中。机理：通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表面而引入极性基团，从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况，显著增加碳纤维

5、复合材料的力学性能。碳纤维表面氧化状况可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件来进行控制。.３．２表面涂层处理３．２．１　气象沉积处理方法：在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面粘接性能。涂层方法主要有两种：一是把碳纤维加热到１２００℃，用甲烷（乙炔、乙烷）一氮混合气体处理，甲烷在碳纤维表面分解，形成无定型碳的涂层。处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍。另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维，经干燥后在１６００摄氏度下裂解，所得到的复合材料层间剪切强度可提高２．７倍３．２．２表面电聚合表面电聚合技

6、术是近年来发展起来的碳纤维表面改性的一项新技术，在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应，生成聚合物涂层，从而引入活性基团使纤维与基体的连接强度大幅提高。如在水相条件下，在碳纤维表面电化学聚合吡咯，聚合后纤维表面自由能提高４０％，从而使纤维对树脂基体如环氧、尼龙的浸润性大大改善。可见对碳纤维进行表面电聚合改性对制造高力学性能纤维增强树脂基复合材料有重要意义。３．２．3聚合物涂层碳纤维经表面处理后，再使其表面附着薄层聚合物，这就是所谓的上浆处理。这层涂覆层即保护了碳纤维表面，同时又提高了纤维对基体的浸润性。３．２．4表面生

7、成晶须法在碳纤维表面，通过化学气相沉积生成碳化硅、硼化金属、二氧化钛、硼氢化合物等晶须，能明显提高复合材料的层间剪切强度，并且晶须质量只占纤维的０．５％～４％，晶须含量在３％～４％时层间性能达到最大。生长晶须的过程包括成核过程以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果，但因费用昂贵、难以精确处理，故工业上无法采用。３．３等离子体处理用等离子体对碳纤维表面进行辐射，可以使碳纤维表面发生化学反应，从而引入活性基团，改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理两种。高温处理时温度为４０００～８

8、０００Ｋ，设备功率为８ＭＨｚ下１０ｋＷ，在含有５～１５％氩气的混合气中产生等离子体。低温处理是在惰性气体中、０～１５０℃、１ｘ　１０５～３×１０５Ｐａ下产生等离子体。等离子体处理能明显改善碳纤维表面与树脂基体的结合力，且不影响其它强度