碳纖維表面研究及表面處理

1、碳纖維表面研究及表面處理1一一碳纖維簡介碳纖維簡介二二碳纖維的表面研究碳纖維的表面研究三三碳纖維表面處理的目的碳纖維表面處理的目的四四幾種碳纖維的表面處理方法幾種碳纖維的表面處理方法2一、碳纖維簡介一、碳纖維簡介 碳纖維：由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500）碳化而成的纖維狀碳化合物，其含碳量在90%以上。 碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于具有質(zhì)輕、比強度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、性能可設(shè)計等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于體育、醫(yī)療器材、航空、航天等領(lǐng)域。3碳纖維碳纖維的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 瀝青基石墨纖維端口，石墨片從芯部向外經(jīng)向輻射，纖維表面有較淺的溝槽 石墨的六方晶體結(jié)構(gòu) 理想的石墨點陣屬六方晶系，

2、真實的碳纖維結(jié)構(gòu)屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。4 碳纖維復(fù)合材料的性能由纖維纖維、基體基體和界界面面層三個主要組成部分決定。 a.碳纖維是增強體，為主要的承力結(jié)構(gòu)。 b.樹脂基體可以傳遞和承受剪切應(yīng)力，保護纖維不受損傷和腐蝕。 c.界面是增強相和基體相的中間相,是增強相和基體相連接的橋梁,也是應(yīng)力及其他信息的傳遞者。 因此如何提高復(fù)合材料各組份間結(jié)合性,充分利用界面效應(yīng)的優(yōu)越性能,一直是復(fù)合材料領(lǐng)域重點研究課題之一。5二、碳纖維的表面研究二、碳纖維的表面研究 碳纖維表面有很多孔隙、凹槽、雜孔隙、凹槽、雜質(zhì)及結(jié)晶質(zhì)及結(jié)晶等，主要由碳碳和少量的氮、少量的氮、氧、氫氧、氫等元素組成。 （PAN碳纖維中的碳含量約

3、95%，石墨纖維碳含量達99%以上） 碳纖維表面表面只含碳、氫、氧碳、氫、氧元素，未經(jīng)表面處理的碳纖維表面約含有16.5%羥基、3.4%羰基，由于極性基極性基團的含量很少團的含量很少，不利于其與基體樹脂的粘結(jié)。碳纖維SEM形貌復(fù)合材料界面相6三、碳纖維表面處理的目的三、碳纖維表面處理的目的提高碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強度提高碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強度 第一，防止弱界面層（第一，防止弱界面層（Weak boundary layer）的生成。）的生成。 a.所吸附的雜質(zhì)、脫模劑等； b.界面層老化時形成的氧化層、水合物層等； c.與基體的不充分浸潤而所束縛的空氣層等。 第第二

4、，產(chǎn)生適合于粘結(jié)的表面形態(tài)二，產(chǎn)生適合于粘結(jié)的表面形態(tài)。 增加表面粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機械嵌合,增強錨錠效應(yīng)。 第三，改善樹脂和增強材料的親和力第三，改善樹脂和增強材料的親和力。 引進具有極性或反應(yīng)性官能團，及能與樹脂起作用的中間層，如COOH，NH2，OH等。7四、碳纖維表面處理方法四、碳纖維表面處理方法碳纖維表面氧化處理氣相氧化法液相氧化法催化氧化法非氧化處理氣相沉積法電聚合法偶聯(lián)劑涂層法聚合物涂層法晶須生長法等離子體法沉積更活潑的碳和其他物質(zhì)引入極性基團并消除弱界面層8碳纖維表面處理后層間剪切強度( ILSS) 的提高情況9等離子處理等離子處理 等離子體：隨著物質(zhì)能量的增加，物

5、質(zhì)的狀態(tài)將發(fā)生由固等離子體：隨著物質(zhì)能量的增加，物質(zhì)的狀態(tài)將發(fā)生由固液液汽的轉(zhuǎn)變，進一步增加氣體能量，則氣體原子中的電子可以汽的轉(zhuǎn)變，進一步增加氣體能量，則氣體原子中的電子可以脫離原子而成為自由電子，原子成為正離子，這種含電子、正脫離原子而成為自由電子，原子成為正離子，這種含電子、正離子和中性粒子的混合體，稱為等離子體。離子和中性粒子的混合體，稱為等離子體。 等離子體法主要是通過等離子體法主要是通過等離子體撞擊碳纖維表面等離子體撞擊碳纖維表面，從而刻蝕碳，從而刻蝕碳纖維表層，使其表面的纖維表層，使其表面的粗糙度粗糙度增加，增加，表面積表面積也相應(yīng)增加。由于也相應(yīng)增加。由于等離子體粒子一般具有幾

6、個到幾十個電子伏特的能量，使得碳等離子體粒子一般具有幾個到幾十個電子伏特的能量，使得碳纖維纖維表面發(fā)生自由基反應(yīng)表面發(fā)生自由基反應(yīng)，并引入含氧極性基團。，并引入含氧極性基團。 等離子體處理的效果洗凈表面使碳纖維表面的溝槽加深，粗糙度增加 在纖維的表面產(chǎn)生一些活性基團，如COOH，COO，OH，CO等 10等離子體處理對碳纖維表面性質(zhì)的影響 隨著等離子體處理時間的增加，碳纖維表面-C-C-結(jié)構(gòu)的含量表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，而最終恒定在45%左右；同時，其表面極性基團的含量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，在不同處理時間下其表面的-C-N-、-C-O-、-C=O、-O-C=O等基團的含量均比未處理時要高，進而使

7、纖維與基體的界面形成牢固的化學(xué)結(jié)合力。a.等離子體處理時間對碳纖維表面元素組成的影響不同處理時間下碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析11b.等離子體處理對纖維表面形貌的影響 由原子力顯微鏡照片可見，未經(jīng)等離子體處理的碳纖維表面較為光滑，纖維表面僅有少量較淺的溝槽； 經(jīng)過等離子體處理后，碳纖維表面的溝槽數(shù)量增加，并且溝槽的深度變深，增加了纖維表面與樹脂基體的接觸面積，有利于提高復(fù)合材料界面的粘結(jié)性能。未處理碳纖維表面的AFM照片 經(jīng)等離子體處理后碳纖維表面的AFM照片12等離子體處理對復(fù)合材料層間剪切破壞斷面的SEM分析未經(jīng)等離子體處理等離子處理后 未經(jīng)等離子體處理的碳纖維復(fù)合材料斷口中，纖維與基體樹脂間存在

8、明顯縫隙，纖維表面粘有的樹脂較少，表面較為光潔，破壞多發(fā)生在界面上。 經(jīng)過等離子體處理后的碳纖維復(fù)合材料經(jīng)層間剪切破壞后，纖維與樹脂基體間結(jié)合緊密，纖維表面粘附的樹脂較多，而且纖維被樹脂緊密地包裹住，說明纖維表面與樹脂基體的粘結(jié)性較好，破壞較少發(fā)生在界面上而是發(fā)生在樹脂基體和纖維本體中。13等離子體處理的優(yōu)點： a. 可以在低溫下進行,避免了高溫對纖維的損傷； b. 處理時間短,幾秒鐘就能獲得所需要的效果； c. 經(jīng)改性的表面厚度薄，可達到幾微米，因此可以做到使材料表面性質(zhì)發(fā)生較大變化，而本體相的性質(zhì)基本保持不變。14氣相氧化法氣相氧化法通過氧化纖維表面，從而通過氧化纖維表面，從而引入極性基團

9、引入極性基團，并給予，并給予適宜的適宜的粗糙度粗糙度，來提高復(fù)合材料界面的粘接強度，來提高復(fù)合材料界面的粘接強度和材料的力學(xué)性能。和材料的力學(xué)性能。 介質(zhì)：熱空氣或其中混合了一定量的空氣、O2、O3、CO2、CO、SO2、水蒸氣等氣體的混合氣體。 處理溫度：一般400-600。 反應(yīng)時間：根據(jù)碳纖維的種類和所需氧化程度而定。15石墨纖維的表面處理優(yōu)點：優(yōu)點： 設(shè)備簡單，反應(yīng)時間短，容易和設(shè)備簡單，反應(yīng)時間短，容易和CF生產(chǎn)線銜接起來，生產(chǎn)線銜接起來，無污染，可連續(xù)處理。無污染，可連續(xù)處理。缺點：缺點： 反應(yīng)較難控制，易使纖維反應(yīng)較難控制，易使纖維縱深氧化縱深氧化，使，使CF拉伸強度拉伸強度損傷大。損傷大。處理時應(yīng)避免過度氧化16液相氧化處理液相氧化處理常用的處理方法之一，主要是去掉碳纖維表面的常用的處理方法之一，主要是去掉碳纖維表面的弱界面層弱界面層WBLWBL，引入各種，引入各種極性官能團極性官能團而提高復(fù)合材而提高復(fù)合材料的界面粘接性能。料的界面粘接性能。 最常用的氧化劑：硝酸 用硝酸氧化碳纖維,可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基