韓冰 嚴(yán)炎

摘 要：碳纖維改性可以顯著提高纖維表面活性與粗糙度，增加纖維與基體結(jié)合度，提升復(fù)合材料整體力學(xué)性能。目前碳纖維改性的手段有很多，較為常見(jiàn)的有氧化法、接枝法、表面沉積法、表面涂覆法等。這些方法原理不盡相同，但是都可以達(dá)到改善纖維與基體結(jié)合度的目的。本文將介紹常見(jiàn)的碳纖維改性方法，并分析其對(duì)復(fù)合材料性能的影響，為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：碳纖維；改性方法；復(fù)合材料；力學(xué)性能

一、碳纖維改性意義

碳纖維作為一種高性能纖維，具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，被廣泛用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體。但是碳纖維原絲表面較為光滑，缺少具有活性的官能團(tuán)，所以使用未經(jīng)任何處理的碳纖維制備復(fù)合材料，纖維無(wú)法與基體緊密地結(jié)合，基體上的負(fù)載也就不能有效地傳遞到纖維上，碳纖維的優(yōu)異性能得不到充分的發(fā)揮，極大地限制了復(fù)合材料整體力學(xué)性能。這也就解釋了碳纖維性能在不斷提升，而復(fù)合材料整體性能卻停滯不前這一現(xiàn)狀。因此，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，提升纖維與基體的結(jié)合度，充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)體作用，對(duì)提升復(fù)合材料性能具有重大的意義。

二、碳纖維改性方法

對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，提升碳纖維與樹(shù)脂間結(jié)合力，主要從以下幾個(gè)方面著手：刻蝕碳纖維表面，増大纖維比表面積；增加碳纖維表面活性基團(tuán)含量；在碳纖維表面引進(jìn)能與樹(shù)脂基體形成交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)等。[1]目前常見(jiàn)的碳纖維改性方法有如下幾種：

（一）氧化法

該方法使用氧化劑在一定條件下氧化碳纖維表面，引入活性基團(tuán)，提高碳纖維表面活性。根據(jù)氧化條件的不同，可分為電化學(xué)陽(yáng)極氧化法、氣相氧化法和液相氧化法。

電化學(xué)陽(yáng)極氧化法利用碳纖維的導(dǎo)電性質(zhì)，以碳纖維為陽(yáng)極，石墨板、不銹鋼板等耐腐蝕導(dǎo)電材料為陰極，酸堿鹽為電解液，在碳纖維表面發(fā)生陽(yáng)極氧化。這一方法可以在碳纖維表面引入極性基團(tuán)，增加其活性和粗糙度，提高碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合度。

氣相氧化法利用氣體氧化劑，在一定溫度、氣壓條件下，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化，常用的氣體氧化劑有空氣、氧氣和臭氧等。液相氧化法使用具有強(qiáng)氧化性的液體作為氧化劑，在一定條件下對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，常用的液體氧化劑有硫酸、硝酸、次氯酸、高錳酸鉀等。這兩種方法都可以顯著地提高纖維表面活性基團(tuán)含量，尤其是含氧官能團(tuán)。[2]

（二）接枝法

在碳纖維表面產(chǎn)生具有活性的自由基，以這些自由基為反應(yīng)點(diǎn)，接枝所需要的單體。根據(jù)采用方法的不同，可將接枝法細(xì)分為化學(xué)接枝法、輻射接枝法和等離子體接枝法。

化學(xué)接枝法采用化學(xué)手段使碳纖維表面產(chǎn)生自由基，具有接枝單體多樣、聚合條件簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。輻射接枝法利用高能射線在碳纖維表面接枝單體或聚合物，無(wú)需催化劑，反應(yīng)條件要求較低，且反應(yīng)可控。等離子體接枝法使用等離子體在特定的環(huán)境氛圍下轟擊碳纖維表面，從而引入所需要的官能團(tuán)；根據(jù)處理?xiàng)l件不同，可以將等離子接枝法分為高溫和低溫等離子體接枝法。

（三）表面沉積法

該方法在一定條件下，通過(guò)將特定的物質(zhì)沉積附著在碳纖維表面，形成一層化學(xué)性質(zhì)活躍的薄膜，提高纖維與基體的結(jié)合度。常見(jiàn)的表面沉積方法有氣相沉積法、電沉積法和化學(xué)鍍。

氣相沉積法是將兩種或兩種以上的氣體反應(yīng)形成的新物質(zhì)沉積到基材的表面。近年來(lái)，氣相沉積法成為制備碳納米管改性纖維的一種常用方式，通過(guò)該方法，碳納米管可以直接在經(jīng)過(guò)催化劑處理后的碳纖維表面生長(zhǎng)。電沉積法是在碳纖維中通入電流，在電解液環(huán)境下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而在纖維表面形成鍍層?；瘜W(xué)鍍?cè)砼c電沉積法相似，僅利用還原劑與溶液間的氧化還原反應(yīng)就可在纖維表面形成鍍層。這兩種方法操作簡(jiǎn)單，工藝成熟，反應(yīng)可控，目前都有較廣的應(yīng)用。

三、碳纖維改性對(duì)復(fù)合材料性能的影響

經(jīng)過(guò)改性后的碳纖維，其與樹(shù)脂間的結(jié)合度有顯著的提高，復(fù)合材料層合板整體力學(xué)性能將有明顯的變化。

改性后復(fù)合材料層合板的層間剪切強(qiáng)度明顯提高，這是碳纖維與基體結(jié)合度提升的直接結(jié)果。其次是復(fù)合材料層合板面內(nèi)性能的變化，由于部分碳纖維改性方法在改善碳纖維表面粗糙度、反應(yīng)活性的同時(shí)，還會(huì)蝕刻碳纖維表面，造成碳纖維自身力學(xué)性能的下降，削弱了復(fù)合材料層合板拉伸和彎曲等面內(nèi)性能。目前有學(xué)者在碳纖維上生長(zhǎng)碳納米管，該改性辦法可以提升垂直于纖維方向上的力學(xué)性能，提高復(fù)合材料的層間斷裂強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度，一定程度上改善了層合板的面內(nèi)性能。[3]

此外，傳統(tǒng)碳纖維改性方法，會(huì)造成復(fù)合材料層合板的韌性下降，這主要是由于纖維與基體結(jié)合度加強(qiáng)，層合板中的能量無(wú)法通過(guò)纖維與基體間界面的滑移來(lái)消耗，導(dǎo)致基體與纖維瞬間破壞。目前有學(xué)者在改性劑中加入納米材料，通過(guò)納米顆粒的滑移來(lái)消耗一部分的能量，改善層合板的韌性，提高其抗沖擊性能。

因此，實(shí)際工程中，提升復(fù)合材料不同的力學(xué)性能，需要選擇不同的碳纖維改性方法，或者結(jié)合兩種及兩種以上的方法，[4]以達(dá)到最優(yōu)的改性結(jié)果。

四、結(jié)語(yǔ)

碳纖維改性可以顯著提升其表面活性與粗糙度，增加其與基體間的結(jié)合度，進(jìn)而提高復(fù)合材料的整體性能。但是一種改性方法在顯著提升某一力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)其他力學(xué)性能會(huì)有一定程度的削弱。因此，在實(shí)際工程中，結(jié)合自身需求，采用合適的改性方法，甚至多種改性方法結(jié)合，才能達(dá)到最優(yōu)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳波.聚丙烯腈基碳纖維的表面修飾及復(fù)合性能研究[D].天津工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]Andideh M，Esfandeh M.Statistical optimization of treatment conditions for the electrochemical oxidation of PAN-based carbon fiber by response surface methodology：Application to carbon fiber/epoxy composite[J].Composites Science & Technology，2016，134：132-143.

[3]張清杰.官能化碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料基礎(chǔ)研究[D].北京化工大學(xué)，2016.

[4]錢水林.碳纖維表面處理技術(shù)探討[J].合成纖維，2008（11）：17-19.