中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列的熱處理過程轉(zhuǎn)化而來的，其碳含量超過90％，是一種無機(jī)高性能纖維，同時(shí)也是一種力學(xué)性能出色的新型材料。碳纖維不僅繼承了碳材料的固有屬性，還結(jié)合了紡織纖維的柔韌性和可加工性，被視為新一代的增強(qiáng)纖維，并在多個(gè)高科技領(lǐng)域得到應(yīng)用。
碳纖維編織布 圖源：東莞江科復(fù)合材料有限公司
碳纖維表面處理原理
作為一種增強(qiáng)體，盡管它具備了一系列出色的性能特點(diǎn)，但同時(shí)也伴隨著一些必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。因類石墨結(jié)構(gòu)其表面存在一定化學(xué)惰性，很難浸潤(rùn)樹脂及化學(xué)反應(yīng)，表面難與樹脂結(jié)合，進(jìn)而影響復(fù)合材料強(qiáng)度。故需要對(duì)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(rùn)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。
不同的表面處理后碳纖維的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
碳纖維表面處理方法
碳纖維表面處理的方法有很多，主要包括氣相氧化法、液相氧化法、電化學(xué)氧化法、偶聯(lián)劑涂層處理法、等離子體處理法、枝接改性技術(shù)等。其中，氣相氧化法是目前比較常用的方法，電化學(xué)氧化法是目前唯一能夠在碳纖維制備時(shí)可在線連續(xù)運(yùn)行的技術(shù)，且經(jīng)電化學(xué)氧化處理過的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的整體性能均得到提高。
（1）氣相氧化法
氣相氧化法包括空氣氧化、臭氧氧化等。
空氣氧化法是將碳纖維置于一定相對(duì)濕度的空中氣進(jìn)行高溫處理，通過高溫使碳纖維表面發(fā)生氧化的一種方法。氧化后碳纖維表面非碳元素增加，有利于提升纖維的潤(rùn)濕性和樹脂結(jié)合性。
（2）液相氧化法
液相氧化法是以濃硝酸、濃硫酸、過氧化氫等氧化劑與碳纖維長(zhǎng)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。
（3）電化學(xué)氧化法
電化學(xué)氧化是利用碳纖維的導(dǎo)電性能，以碳纖維為陽極，石墨、銅板或鎳板等為陰極，在直流電場(chǎng)的作用下，以不同的酸堿鹽的溶液作為電解液，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法。表面電化學(xué)氧化處理的作用為逐層氧化刻蝕與官能團(tuán)變化的復(fù)合作用過程。
（4）偶聯(lián)劑涂層處理法
偶聯(lián)劑在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有雙官能團(tuán)， 這使得它具有了與纖維表面和樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力。其中一部分官能團(tuán)能與纖維表面形成化學(xué)鍵，而另一部分官能團(tuán)則能與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 通過這樣的化學(xué)媒介作用，偶聯(lián)劑能夠?qū)渲c纖維表面緊密地連接在一起，從而增強(qiáng)材料的整體性能。 通過使用偶聯(lián)劑，不僅可以提高材料的強(qiáng)度和耐久性，還可以增加其粘接性和耐化學(xué)品侵蝕能力。
（5）等離子體處理法
等離子技術(shù)主要利用放電、高頻電磁振動(dòng)、沖擊波以及高能輻射等技術(shù)在惰性氣體或者含氧氣體條件下產(chǎn)生等離子體來對(duì)材料表面進(jìn)行處理。
（6）枝接改性技術(shù)
通過對(duì)碳化硅六方納米金字塔的接枝，可顯著增強(qiáng)碳纖維與樹脂間的界面黏附力，不僅增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械特性，還提高了其摩擦性能，這一技術(shù)已被應(yīng)用于制動(dòng)盤的制造中。
結(jié)語
碳纖維因其高達(dá)90％的碳含量而展現(xiàn)出卓越的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高模量、高強(qiáng)度、低密度、輕質(zhì)、抗化學(xué)腐蝕和耐高溫等，被譽(yù)為“新材料之王”，廣泛應(yīng)用于材料輕量化、航空航天材料、傳感技術(shù)、風(fēng)電葉片、導(dǎo)電導(dǎo)熱、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及其他耐腐蝕和耐高溫的防護(hù)和能源領(lǐng)域。碳纖維表面處理是提升碳纖維復(fù)合材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過選擇合適的表面處理方法，可以改善碳纖維的表面性能，增強(qiáng)其與基體材料的結(jié)合力，從而提升復(fù)合材料的整體性能。如今，國(guó)內(nèi)外碳纖維的迅猛發(fā)展，使得碳纖維逐漸融入我國(guó)各行各業(yè)。關(guān)于碳纖維的表面改性研究正在世界各國(guó)如火如荼的進(jìn)行著，其內(nèi)容豐富，理論聯(lián)系實(shí)際，已經(jīng)取得了很大的成就。
采用碳納米管和石墨烯等碳納米材料對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理已成為新的研究熱點(diǎn)，碳纖維表面處理的低成本化、綠色化和連續(xù)生產(chǎn)化將是今后的重點(diǎn)研究方向。
參考來源：
李磊等，聚丙烯腈基高強(qiáng)高模碳纖維表面處理研究進(jìn)展
周雪松等，碳纖維表面處理技術(shù)研究進(jìn)展
徐慧敏等，碳纖維表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展
張雪等，碳纖維表面改性對(duì)復(fù)合材料性能的影響
劉瀏，碳纖維表面處理及其復(fù)合材料性能研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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