碳纖維具有高模量、高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性, 與高聚物復(fù)合可得到力學(xué)性能極為優(yōu)異的復(fù)合材料, 被廣泛應(yīng)用于航空、航天、運(yùn)動器材等領(lǐng)域。

為使碳纖維表面易于與樹脂基體結(jié)合，往往需要對碳纖維表面進(jìn)行處理，清除碳纖維表面雜質(zhì)，在碳纖維表面刻蝕溝槽或形成微孔以增大表面積，來改變碳纖維表面性質(zhì)，以增加碳纖維表面的極性官能團(tuán)及表面活化，進(jìn)而更容易浸潤和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)合材料界面更緊密連接而增加強(qiáng)度。

碳纖維表面處理的方法有很多，主要包括表面清潔處理、氣相氧化法、液相氧化法、陽極氧化法、表面涂層法、表面沉積元機(jī)物、電聚合處理、冷等離子處理等。

不同的表面處理后CF的SEM圖像

a) 未處理 b) 空氣處理 C)濃HNO3處理 d)上漿處理 e)等離子處理 

方法一

表面清潔處理

碳纖維吸附性強(qiáng)，表面易吸附水分及有機(jī)污染物，影響與基體的結(jié)合。故而對其進(jìn)行表面清潔處理，具體做法為：將碳纖維在惰性氣體保護(hù)下加熱到一定高溫并保溫一定時(shí)間，以清除吸附水，凈化表面。

方法二

氣相氧化法

在加熱下用空氣、氧氣、CO2、臭氧等處理碳纖維，處理后CF比表面積和表面粗糙度增加, 使表面產(chǎn)生胺基、羥基、羰基等含氧極性基團(tuán)，以利于碳纖維與基體樹脂界面結(jié)合，從而提高CF增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

空氣氧化法：

Cu或Pb鹽催化劑，400~500℃，氧氣或空氣氧化處理。在空氣中，500℃加熱16h，碳纖維的層間剪切強(qiáng)度會提高45%，纖維大量失重分解；在純氧中，需適當(dāng)引入二氧化硫、四氯化碳等氣體來控制氧化處理進(jìn)程。

臭氧氧化法：

王影用O3處理CF,處理后的CF表面粗糙度增加,表面的O元素和含氧極性官能團(tuán)的相對含量增加;用O3處理后的CF來增強(qiáng)氰酸酯樹脂(CE)基體,制備CF/CE復(fù)合材料,復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度達(dá)到62.91 MPa,比未處理的提高了32.65%。

氣相氧化法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、反應(yīng)時(shí)間短、易連續(xù)化，缺點(diǎn)是反應(yīng)難控制、重復(fù)性差、纖維嚴(yán)重?fù)p傷。

方法三

液相氧化法

液相氧化法是以濃HNO3、H3PO4、HClO、KMnO4、NaClO等氧化劑與CF長時(shí)間接觸, 在纖維表面形成羧基、羥基等基團(tuán), 增強(qiáng)與樹脂的結(jié)合力。宋晨晨對CF表面進(jìn)行硝酸處理后用于增強(qiáng)聚偏氟乙烯(PVDF),在添加處理后的CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),相對處理前復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量分別提高125%和439%。

液相氧化法優(yōu)點(diǎn)是氧化效果好，損傷較??；缺點(diǎn)是液相氧化法僅限于纖維表面，且伴隨著環(huán)境污染問題。

方法四

陽極氧化法

陽極電解氧化也叫電化學(xué)氧化法,這種表面處理的方法已在碳纖維工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，對碳纖維進(jìn)行陽極氧化表面處理后,碳纖維的浸潤性有一定程度的增強(qiáng),碳纖維與水的接觸角也有一定程度的降低；碳纖維強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降,強(qiáng)度離散性也略有增大。

方法五

表面涂層法

碳纖維表面涂層的制備不僅能夠提高碳纖維抗氧化性，也是提高碳纖維與基體潤濕性，改善復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)性能的主要方法。近年碳纖維表面涂層研究種類很多， 主要有金屬涂層、陶瓷涂層、氮化物涂層、氮化物涂層和復(fù)合涂層。

金屬涂層能夠有效地改善纖維與基體的潤濕性，但亦容易被氧化，形成表面氧化物后會降低與金屬液的潤濕性。陶瓷涂層的高溫穩(wěn)定性好，實(shí)際使用效果佳，促進(jìn)界面潤濕，有效降低界面擴(kuò)散和界面反應(yīng)，但是陶瓷涂層相較之碳纖維熱膨脹系數(shù)較高，高溫或受到熱沖擊時(shí)涂層容易開裂剝落，失去保護(hù)碳纖維的作用。復(fù)合涂層可以有效增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)體的抗氧化性，但制備工藝較為復(fù)雜。

方法六

表面沉積元機(jī)物

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的沉積溫度低、沉積速度快、沉積靈活性強(qiáng)、成膜面積大，合成材料的成分可控;通過對MOCVD工藝參數(shù)的控制，可精確控制薄膜生長的厚度、組成和摻雜濃度。在碳纖維表面鍍覆一層金屬或金屬化合物膜能夠改善纖維與基體間的界面結(jié)合，優(yōu)化界面，充分發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的作用。

方法七

電聚合處理

電化學(xué)聚合法作為近年來發(fā)展起來的一種新型聚合方法，碳纖維表面經(jīng)電化學(xué)處理后能夠形成較為均勻的聚合物層，形成的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料斷面較為平整，纖維拔出量少。

采用該方法處理碳纖維表面具有處理時(shí)間短，可控性強(qiáng)，能夠在碳纖維表面均勻接枝聚合物的特點(diǎn)。

方法八

冷等離子處理

等離子處理是指用放電、高頻電磁振蕩、沖擊波及高能輻射等方法使惰性氣體或含氧氣體產(chǎn)生等離子體, 對材料的表面進(jìn)行處理。

低溫等離子體技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新的材料表面處理技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)是一種干式工藝, 具有節(jié)能、無公害、處理時(shí)間短、效率高以及能滿足環(huán)境保護(hù)要求等優(yōu)點(diǎn)。

(a) 低溫等離子體處理的碳纖維表面形貌; (b) 陽極電解氧化法處理的碳纖維表面形貌

電化學(xué)氧化法、偶聯(lián)劑涂層處理、氣相氧化法、液相氧化法和等離子體處理等方法均能使CF增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料性能得到提升，但是也存在缺點(diǎn)。新型改性技術(shù)具有很大的發(fā)展前景，今后CF表面處理技術(shù)的低成本化、綠色化和連續(xù)生產(chǎn)化將是重點(diǎn)研究方向。

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