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碳纖維表面處理的方法

碳纖維具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕等優異性能,廣泛應用于航空航天、軍事工業、體育運動器材等領域。碳纖維增強聚合物基復合材料的力學性能在很大程度上取決于碳纖維與基體之間的界面性能,而碳纖維表面光滑、惰性大、具有化學活性的官能團少,導致碳纖維與基體樹脂之間的界面黏結性較弱,界面相往往成為復合材料的薄弱環節。碳纖維復合材料的界面微觀結構與界面性能密切相關。碳纖維的表面極性歸根到底在于碳纖維的表面形貌和化學官能團的種類,碳纖維表面無論是活性基團的增加還是粗糙度的增加都有利于碳纖維表面能的增加。碳纖維表面物理性能主要包括表面形貌、表面溝槽大小及分布、表面粗糙度、表面自由能等。從表面形態上看,碳纖維的表面有很多孔隙、凹槽、雜質及結晶,這些對復合材料的黏結性能有很大影響。碳纖維表面的化學反應活性與其活性基團的濃度密切相關,而這些活性基團主要為羥基、羧基和環氧基團等含氧官能團。碳纖維表面的官能基團數量取決于表面電化學處理方法和纖維碳化的程度或溫度,比如酸處理會賦予纖維與堿處理不同的官能基,而對于相同處理條件,碳化溫度越高,官能基越少。低模量碳纖維因其較低碳化程度一般有較多的官能基,在制備環氧基復合材料時會與環氧基團有-定的反應,而高模量碳纖維體系這種反應可以忽略,纖維和樹脂間主要是弱相互作用。眾多研究表明,通過碳纖維表面改性調控復合材料的界面微觀結構能有效改善復合材料的界面性能,這也是碳纖維復合材料領域的研究熱點之一。

碳纖維具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕等優異性能,廣泛應用于航空航天、軍事工業、體育運動器材等領域。碳纖維增強聚合物基復合材料的力學性能在很大程度上取決于碳纖維與基體之間的界面性能,而碳纖維表面光滑、惰性大、具有化學活性的官能團少,導致碳纖維與基體樹脂之間的界面黏結性較弱,界面相往往成為復合材料的薄弱環節。碳纖維復合材料的界面微觀結構與界面性能密切相關。碳纖維的表面極性歸根到底在于碳纖維的表面形貌和化學官能團的種類,碳纖維表面無論是活性基團的增加還是粗糙度的增加都有利于碳纖維表面能的增加。碳纖維表面物理性能主要包括表面形貌、表面溝槽大小及分布、表面粗糙度、表面自由能等。從表面形態上看,碳纖維的表面有很多孔隙、凹槽、雜質及結晶,這些對復合材料的黏結性能有很大影響。碳纖維表面的化學反應活性與其活性基團的濃度密切相關,而這些活性基團主要為羥基、羧基和環氧基團等含氧官能團。碳纖維表面的官能基團數量取決于表面電化學處理方法和纖維碳化的程度或溫度,比如酸處理會賦予纖維與堿處理不同的官能基,而對于相同處理條件,碳化溫度越高,官能基越少。低模量碳纖維因其較低碳化程度一般有較多的官能基,在制備環氧基復合材料時會與環氧基團有-定的反應,而高模量碳纖維體系這種反應可以忽略,纖維和樹脂間主要是弱相互作用。眾多研究表明,通過碳纖維表面改性調控復合材料的界面微觀結構能有效改善復合材料的界面性能,這也是碳纖維復臺材料領域的研究熱點之一。

碳纖維的表面處理方法很多,可以分為表面化學反應和涂覆處理。表面化學反應又分為氧化處理和非氧化處理。氧化處理又分為低溫或高溫氣相氧化、用化學或電化學方法進行的液相氧化和陽極氧化法。非氧化處理是在碳纖維表面沉積更活潑的碳和其他物質,如晶須法、聚合物接枝法等。

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