張 超

(新疆隆炬新材料有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

碳纖維的物理性能非常高，屬于一種新興材料，由于其本身在實際應用中所具有的一系列特性，因而被廣泛的應用于航空、航天、運輸?shù)刃袠I(yè)當中[1],發(fā)揮出了極其重要的優(yōu)勢，為這些行業(yè)的進步提供了強大的動力。通過一定的方式方法，將碳纖維與環(huán)氧樹脂緊密的結合起來，可以形成擁有強大力學性能的復合材料。該材料強度高、質量低，應用于航空航天及軍事國防等領域，可以全面提高這些行業(yè)的發(fā)展水平。碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結合性，能對復合材料的最終性能產生決定性影響，因此有必要對其界面進行改良，進而使其性能得到有效保障。

環(huán)氧樹脂以及碳纖維包含諸多結構，而界面是其重要的結構之一。通過其界面的合理處理使其良好的結合起來，可以使得相關載荷得到更好的傳遞，有效改進碳纖維環(huán)氧樹脂的復合材料的力學性能[2-3]。然而，由于其實際制備特點，碳纖維的表面極性基團數(shù)量相對較少，很難進行一些化學反應，有著非常強大的化學惰性。這種情況使得碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的潤濕性無法得到有效保障。進而使其界面的結合力相對較低[4]。通過一定的方式方法對碳纖維的表面進行有效處理可以使得碳纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的粘接強度得到有效保障，將碳纖維的增強作用充分的發(fā)揮出來，進而全面提高復合材料的應有性能。經過多年研究已經發(fā)展出了多種方式對碳纖維的表面性質進行有效改良，比如，氧化法、表面涂層法等一系列方式[5-6]。這些方法的應用雖然可以使得碳纖維與環(huán)氧樹脂之間界面的粘接性能進一步提高，但是往往會在使用的過程當中對碳纖維的拉伸強度產生一定的破壞，進而使其力學性能大幅度下降。因此有必要探索出一種不會對碳纖維拉伸強度造成損害的改善其表面粘接性能的方式。最近幾年相關學者進行了大量的研究后發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯以及碳納米管作為碳納米材料的有效代表將其應用于碳纖維的表面改性有著很大的可行性，因此成為了各國學者的研究重點所在。

1 碳纖維表面改性概述

相對于其他材料來說，氧化石墨烯，以及碳納米管的比表面積非常龐大，且其表面還有數(shù)量極其龐大的極性基團[7]。將其引入到碳纖維的表面當中，不但可以使得碳纖維的比表面積得到大幅度增加，而且還能極大的提高碳纖維與環(huán)氧樹脂的接觸面積，進而使其基體之間的機械連鎖作用進一步加強。除此之外，通過極性基團的大量加入，不但可以使得碳纖維的表面能得到大幅度增加，而且還可以使碳纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的潤濕性得到有效保障[8]。有學者經過大量研究后發(fā)現(xiàn)，通過化學氣相沉積等方式可以將氧化石墨烯以及碳納米管等材料引入到碳纖維表面當中對其表面性質進行有效改良。通過化學氣相沉積長期發(fā)作用的正常發(fā)揮可以使得碳纖維的性能得到全面提高，但是該種方法在實際應用的過程當中需要投入的經濟成本過大，很難將其應用于工業(yè)的大規(guī)模生產當中。為此本文推薦選擇電泳沉積法，該方法在使用中所需要投入的資金成本相對較低且生產效率非常高，可以有效減少對周邊生態(tài)環(huán)境的污染，對于碳纖維表面改性工作而言有著非常重要的意義。

2 電泳沉積碳納米材料

2.1 電泳沉積CNT

CNT是一種新型納米材料，該材料在應用的過程當中有著非常優(yōu)異的性能，其本身的比面積較一般材料大得多且電化學性能非常良好[9]。通過一定的方式方法將CNT引入到碳纖維表面上可以使得碳纖維表面的粗糙度得到大幅度增加，通過這樣的方式可以使得碳纖維與環(huán)氧樹脂在結合的過程當中，其表面的機械粘合能力全面加強。除此之外，經過處理之后的CNT表面活性基團數(shù)量較多，其在引入碳纖維之后可以使得碳纖維表面與環(huán)氧樹脂基體，通過共價鍵的方式緊密的結合起來使得一些應力能夠更好的傳遞下去[10-11]。CNT沉積于碳纖維表面，有諸多學者對其進行了研究。根據溶劑的區(qū)別可以將其進一步分為兩大類型，分別是水溶劑以及醇溶劑。當利用水作為溶劑，將CNT沉積于碳纖維表面時最終的效果并不是特別好，需往往需要增加一些化合物對其進行輔助操作，只有這樣才能使得碳纖維的力學性能得到有效改良。為此，有學者利用電泳沉積的方式將CNT沉積到碳纖維上，然后利用丙酮溶液對CNT進行氧化處理，最后利用混酸對碳纖維進行酸化預處理[12]。當利用水作為電泳液溶劑時，需要利用超聲的方式對其處理 7 min 后才可以進行下一步的工作。當利用丙酮進行回流操作之后，碳纖維表面所覆蓋的聚合物將會消失不見。如果對碳纖維表面進行細致觀察的話，可以查看到碳纖維的表面會出現(xiàn)一些溝槽，這時通過對沉積的具體時間進行合理把控可以對CNT涂層的實際厚度進行合理改變。經過大量實驗后發(fā)現(xiàn)，通過該方法的應用可以使得碳纖維與環(huán)氧樹脂基層界面形成有效的過渡層，讓復合材料的殘余抗彎強度得到有效提高，使得復合材料的成品率大幅度增加，全面降低次品出現(xiàn)概率。值得注意的是，當沉積時間超過 7 min 之后會由于團聚效應使得界面性能產生一定程度的惡化[13]。

當利用醇作為溶劑時，將會使CNT沉積到碳纖維的表面當中。通過一定的儀器設備對其觀察的話不難發(fā)現(xiàn)CNT的整體分布非常均勻，且其結構處于十分規(guī)整的狀態(tài)當中。由此不難發(fā)現(xiàn)，利用醇做溶劑對CNT進行沉積可以全面提高復合材料的界面性能。有學者利用電泳沉積法將CNT沉積到碳纖維表面當中，在沉積時所采用的電壓為 50 V，整體沉積時間為 15 min[14]。采用乙醇溶液作為電解液進行電泳沉積操作。通過與乙醇作用的正常發(fā)揮可以讓CNT以均勻的姿態(tài)分散于碳纖維表面當中，全面提高碳纖維表面CNT的層次感。經過大量實驗后發(fā)現(xiàn)，由于CNT的分布非常的均勻有序，因此不同分子的移動速率非常的快?？梢钥焖俪练e到碳纖維表面當中，全面提高復合材料的沉積強度。和未經過有效處理的碳纖維相比來說，處理之后的碳纖維抗拉伸強度提高了近1.4倍。

2.2 電泳沉積GO

GO屬于一種新型材料,質量相對較輕且有著極大的拉伸強度，由此被廣泛的應用于生物、航天等領域，成為了學者研究的重點內容之一。通過一定的方式方法將 GO沉積與碳纖維表面可以使得其與環(huán)氧樹脂基體的接觸面積大幅度提升，全面提高碳纖維與環(huán)氧樹脂基體的機械咬合力。除此之外，由于GO表面存在著大量的極性基團，因此可以有效提高不同材料界面之間的強度。由于電泳沉積活動在實際進行的過程當中用到的懸浮液差別較大，因此使得攜帶的電荷區(qū)別很大。根據碳纖維電極的區(qū)別，可以進一步將該種沉積行為分為陰極電泳沉積GO以及陽極電泳沉積GOu[15]。加入硝酸鎂、硝酸鈣等化合物配置出一些具有帶有正電荷的電解液使得沉積材料能夠攜帶有正電性，并且將其沉積到帶有負電荷的碳纖維表面當中。有學者利用GO電泳沉積法在碳纖維表面制備出了一層膜，并且將其作為防腐蝕涂層。全面提高復合材料的抗腐蝕性，電泳沉積將通過氫氧化鈉等化合物配備出攜帶有負電荷的電溶液使得GO呈現(xiàn)出負電性，通過這樣的方式可以使其更好的沉積在攜帶有正電荷的碳纖維表面。有學者利用電化學氧化與陽極電泳沉積結合的方式使得碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能得到充分加強，利用碳酸氫銨作為電解質溶液對碳纖維進行有效的電化學氧化處理并且加入氫氧化鈉溶液使得GO能夠攜帶有負電性。這時碳纖維作為正極，可以利用電泳沉積的方式對碳纖維表面進行處理。相比而言，處理后的碳纖維表面更為粗糙且含有諸多活性較高的含氧官能團。這時與GO表面氧化基團發(fā)生化學反應可以產生框架件，全面增強環(huán)氧樹脂基體與碳纖維之間的界面結合性能，但復合材料的剪切強度提升效果并不是十分明顯。

3 電泳沉積碳納米材料的應用

3.1 電泳沉積CNT的應用

經過多年的發(fā)展，有學者首次從CNT當中檢測到場致發(fā)光，其響應速度非?？?，是傳統(tǒng)白熾發(fā)射器的10倍以上，由于其優(yōu)異性能可以用作制備高速CNT的必要原料。

第一，CNT-FET發(fā)射器。第1個CNT-FET發(fā)射器是在 S-SWCNT場效應的雙極操作下產生的納米管結構。該結構當中富含兩種不同類型的載流子，分別是電子以及空穴。通過肖特基壁壘之后，可以將其注入到納米管結構的襯底當中。后續(xù)通過柵極電壓來實現(xiàn)雙節(jié)操作，進而實現(xiàn)對發(fā)射體的EL測量活動。經過大量實驗后發(fā)現(xiàn)在載流子以及聲子散射活動開展時，載流子能量將會持續(xù)耗散，進而使得 EL光譜的頻率不斷變低。在這樣的情況下實驗人員可以通過改變其他參數(shù)來對長溝道中的EL點位置進行有效調節(jié)，以頂部三級的聚合物代替過去，常常使用的三級氧化物可以使得外部量子效率以及EL光譜得到明顯變化，全面提高其實際使用性能。

第二，CNT p-n二極管發(fā)射器。對于CNTEL納米發(fā)射器來說，為了提高其性能為其加入了p-n二極管結構。該結構可以通過施加反向的偏壓使得三氧化二鋁覆蓋到 S-SWCNT不同區(qū)域的頂級店頂山電極上，進而實現(xiàn)靜電摻雜產生不同結構的二極管結構。和FET結構相比，該結構在實際應用的過程當中可以顯著降低能量的消耗，其閾值電流幾乎處于0的狀態(tài)當中。

2.2 電泳沉積GO的應用

電泳沉積GO復合材料主要被人們應用于超級電容器以及鋰離子電池當中，將電泳沉積的GO作為電池主要有以下幾項優(yōu)勢：首先，GO的導電性非常好且具有多孔結構，可以讓電解質離子很好的穿透GO的空隙[16]。除此之外，GO與RGO的平面處于對齊狀態(tài)，與碳黑等間隔物結合起來進行有效使用可以有效增加比表面積，全面提高層間的電導率，改善電池的表面積。

3 結束語

本文對當前國內外通過電泳沉積法對碳纖維表面沉積碳納米管(CNT)以及氧化石墨烯(GO)的改性進行了分析。由于種種因素的影響，電泳沉積CNT改性碳纖維還存在著一些不足。為此文章對其進行了詳細分析，并且深入探討優(yōu)化電泳沉積參數(shù)。在今后應當對GO與CNT的機理進行更加深入的分析，將電泳技術更多地應用到復合材料當中，進而改善碳纖維的復合材料的力學性能。