摘要：碳纤维是一种具有优良性能的新型材料，它不仅强度高、重量轻、弹性模量高。而且具有耐高温、耐腐蚀、反射中子射线能力等优点。碳纤维的出现是我国材料科学史上的一个飞跃，它为科学技术上的新工艺新技术提供了优质的材料。因此，已经广泛地应用到航天、火箭导弹、机电工业、宇航飞机制造、汽车运输器材等各个领域。
关键词：碳纤维 表面处理 化学处理 研究
前言：
碳纤维是六十年代以来高分子化学和碳素科学的迅速发展，崛起的新星，作为一种优质的增强型材料，它具有比强度高、耐疲劳性优良、模量大和热膨胀系数低等一系列优点。满足了工程上对复合材料中增强纤维的苛刻要求。因此在各个行业中呈现着广泛的应用前景。然而碳纤维因其性能脆，不耐磨，等弱点也使得其在使用过程中有一定的局限性。如何对纤维表面进行处理，提高其与机体数值的粘接，改善和优化其性能成为国内外复合材料行业所关注的重要课题。
1 碳纤维的表面特性与其表面结构
1.1碳纤维是由许多小纤维状晶体组成的多晶体，晶区沿纤维轴向形成连续或半连续晶束。由于碳呈平行堆积乱层结构，碳纤维性脆易断、不耐磨也带来了工艺上的缺点，而且，在碳纤维平面上，C-C之间以非极性的共价键联接，于浸润不利。除此之外，碳纤维还存在少量空洞和微裂纹，这些表面缺陷有些可能在高温碳化时形成。裂纹一般沿纤维长度方向不规则地分布，在晶界上，除碳外，还有氮氧等元素，而且，在边缘的碳原子易受到氧的攻击而形成羧基，羟基和羰基等含氧基团。这些基团的增多，使碳纤维比表面积得以提高，有利于与基体树脂的粘接。因此，各种表面处理的目的，即设法改变空洞与裂纹形貌，增加活性基团，以增加物理吸附与化学结合的几率，改善与基体材料的界面粘接条件。
1.2碳纤维的结构
碳纤维一般是用分解温度低于熔点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的。因此碳纤维实际上几乎是纯炭或含碳量90%以上，在热裂解下，排出其他元素，形成石墨晶格结构。但实际的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。乱层石墨结构中，石墨层片是一级结构单元。其直径约为200A。碳纤维的二级结构单元是石墨微晶，石墨微晶一般由数张到数十张层片组成。微晶厚度Lc约100A，微晶直径La约200A，层片与层片之间的距离叫面间距，由石墨微晶再组成原纤结构，其直径为500A左右，长度为数千A，这是纤维的三级结构单元。最后由原纤维结构组成碳纤维的单丝，直径一般为6-8um。
2 碳纤维常见的表面处理方法
2.1化学氧化法
化学氧化法是目前较为普遍的处理方法，该方法工艺比较简单，处理时将纤维先经碱液清洁，而后浸泡在盛有氧化性的介质中，与110-115℃温度下设定时间后取出，洗净、烘干，常用的氧化剂是硝酸，硫酸或高浓度的混合酸。
2.2高温热处理法
高温热处理是指将碳纤维在氮气的保护下通过2600℃以上的高温焙烧，以稳定纤维本身的晶型结构，提高纤维模量。有实验认为，在高温热处理时，碳纤维中氢原子及其它非碳原子解析，而碳则从平行堆积乱层结构向三维结构过渡并结晶度增大，故密度增加，由于碳的定向排布，弹性模量也就显著提高。
2.3气相沉淀法又称溶液还原法
先将碳纤维通过溶液并干燥。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆然后加热纤维，试沉淀于表面化学组分热分解，生成能与碳纤维其反应的物质，经处理后碳纤维表面含氧量得到了增加，残留的薄层沉积物中PPQ能起偶联作用，增加与基体的粘接，所以复合材料的层间剪切强度高达82.6MPa，改法在处理过程中，碳纤维易受铁化合物的污染，影响其高温性能，故使用受限。
2.4电化学处理法
电化学处理有两种方法，一种是电解处理，以碳纤维是阳极，经钝化处理表面被腐蚀，表面增大并生成各种氧化物，提高表面的活性，在复合材料工艺中改善了树脂基体对碳纤维的浸润性和增加了二者的粘接。另一种方法是电解聚合，其过程是在点聚槽中，将碳纤维体做阳极，电解液常用丙烯酸/硫酸溶液，电压为2V左右，电解密度为（30%-90%）惰性气体（Ar或N2）以组成混合气氛，加热炉温度为700-1800℃，停留时间有3-60分钟。
2.5等离子法
等离子法机理与电聚合类似，碳纤维连续通过等离子发射腔。等离子发生器的射频频率可高到100MHz，电压为330V，真空度19.998Pa，纤维在减压和存在射频放电的氧气气氛中进行等离子氧化，以活化纤维表面。处理后碳纤维表面生成一层活性基团层，使与基体树脂亲和力显著增加，层间剪切可以从60MPa提高到100MPa左右。
2.6表面化学处理法
表面化学处理是指在碳纤维表面涂覆高分子层，除改善纤维本身加工中的工艺性外，对提高层间剪切强度有所帮助，通常采用的介质含反应性端基如羧基的丁二烯/丙烯酸共聚物，聚缩水甘油醚或脂肪族环氧化合物等。当采用1%-2%的1,3-双缩水甘油-5,5二甲基乙内酰胺水溶液涂覆时，具有与环氧相容性好、无毒、阻燃和纤维不易起毛等特点。
3 碳纤维表面化学处理的意义和方向
随着汽车轻量化的发展，兼具轻量化、安全性、舒适度和可靠性等优异性能的碳纤维复合材料的使用正呈现上升趋势，然而，这类材料却并非没有瑕疵，该材质往往难以分解或循环再利用，使人们逐渐开始关注对该材料的回收处理。该材质与热塑性塑料不同，无法轻易实现固化、分解并还原为初始的原材料。为实现碳纤维复合材料的循环再利用，大多数情况下，研究人员会采用机械设备将该材料磨碎，或利用超高温度使其发生分解，抑或是在严苛的化学条件，将其还原为昂贵的碳纤维材料。
然而，在采用上述工艺后，碳纤维通常会受损，且残存的化学物质往往具有腐蚀性，会对人体造成危害。更糟糕的时，难以实现废弃物的妥善处理。此外，若采用上述处理方式，会对该材料所含的树脂基材料造成破坏，生成各类化学物质，由于难以清除赶紧，进而加大了废弃物的处理难度。为解决碳纤维复合材料的循环再利用问题，国外专家研发并采用了一种新的化学回收法：他们将多种弱酸(mild acids)作为催化剂，将其添加到液态乙醇中，在低温条件下发生化学反应，使得该类热固性材料(thermosets)被分解。值得一提的是，他们在试验中采用了结合使用了多种化学品。
为提高固化材料的分解速率，研究人员提升了材料温度，使含有催化剂的液体得以渗入到复合材料中，进而实现碳纤维复合材料的化学分解。
结束语：
碳纤维绝大多数是以复合材料的形式使用。其中，以碳纤维增强树脂基复合材料为应用的主要形式，复合材料的性能，不仅取决于其组成材料，更取决于其组成材料之间的界面质量。良好的界面结合，能有效地传递和充分发挥增强纤维的高强高模特性，提高复合材料的机械性能。因此，随着科学技术的不断发展和社会生产水平的进步，碳纤维的处理和优化将更广泛地应用到航空、火箭、导弹、宇宙飞船及电机工业等各个领域。
参考文献：
【1】顾澄中 施美玲 林永渭 吴叙勤 （华东化工学院）碳纤维的表面处理
【2】王秀艳 碳纤维表面化学处理 国内消息
【3】吴庆 陈惠芳 潘鼎 碳纤维的表面处理 化工新型材料 第3期28卷
论文作者:戴虎虎
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
标签：碳纤维论文; 复合材料论文; 表面论文; 纤维论文; 结构论文; 化学论文; 材料论文; 《基层建设》2017年第29期论文;