碳纖維增強高性能熱塑性復合材料界面改性的研究進展

孔云臻

摘 要：碳纖維增強樹脂基復合材料因其高比強度、高比模量、可設計性強等優異性能，在軍用和民用領域應用廣泛。相比于常規碳纖維增強樹脂基復合材料，碳纖維增強聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能熱塑性樹脂復合材料（簡稱“CFRHPTP”）具有耐熱性高、耐腐蝕性好、高強度、高韌性、可回收再利用等優勢，在軌道交通、航天航空、國防軍工等尖端前沿科技領域具有廣闊的應用前景。對于CFRHPTP，高性能熱塑性樹脂作為連續相，碳纖維作為增強相，相互之間通過界面層結合。界面相作為纖維與樹脂間應力傳遞的紐帶，直接影響到內部應力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制對復合材料整體性能起著決定性作用。

關鍵詞：碳纖維;高性能;熱塑性復合材料;界面改性

我國在CFRHPTP界面改性方面的研究大多仍停留在實驗室階段，尚不能滿足我國航空、航天、國防等高端領域的實際應用需求。因此，有必要在該領域繼續開展深入研究，開發新的界面改性技術，以解決CFRHPTP棘手的界面問題，滿足我國尖端技術領域對先進復合材料的迫切需求。筆者認為，上漿劑改性法是有大規模應用潛力的改性方法，新型熱塑性上漿劑的開發值得重點關注。

1 氧化法

碳纖維的結構單元是六角網平面，邊緣不飽和碳原子、缺陷周圍碳原子的活性高，容易被強氧化劑氧化，在碳纖維表面引入羥基（-OH）、羰基（-CO）和羧基（-COOH）等含氧官能團，可以增加碳纖維的表面化學活性、表面能，提高碳纖維復合材料的界面性能。根據氧化介質的不同，氧化處理方法可分為液相氧化法、電化學氧化法、氣相氧化法等。Wang等以硝酸為電解質，對碳纖維進行了電氧化處理，并采用XPS研究了在聚醚醚酮（PEKK）樹脂與氧化碳纖維之間的界面相互作用。XPS分析顯示，經氧化處理后，碳纖維表面引入的“氫橋結構”可與PEKK表面的羰基形成化學成鍵，而且復合材料的最終性能與CF/PEKK界面反應的程度緊密相關。氧化法工藝較為簡單，能有效刻蝕碳纖維表面并引入化學活性基團，從而提高復合材料的界面性能。但如何控制氧化程度，防止過度氧化造成碳纖維本身機械性能下降是值得關注的問題。陽極氧化法氧化過程較為緩和均勻，且易于實現連續配套生產，是目前碳纖維工業普遍采用的表面處理方法。而采用其他液態強氧化劑的氧化方法，多為間歇式處理，不適用于連續工業生產，主要應用于實驗室的小批量氧化處理。相關學者研究了常壓等離子體改性對碳纖維/聚酰亞胺（CF/PI）復合材料力學性能的影響，等離子體改性裝置原理如圖1所示。結果表明，He/O2常壓等離子體改性處理在碳纖維表面引入了大量含氧官能團，并顯著增加了碳纖維表面能和粗糙度，增加了樹脂對碳纖維的浸潤性以及界面區域的機械嚙合作用，使得CF/PI的界面剪切強度提高了21%。

2 等離子體處理法

等離子體是指正負電荷的數量或密度基本相等而形成宏觀電中性的物質集合體，等離子體處理法即使用等離子體撞擊碳纖維表面，從而對碳纖維表面進行刻蝕，使碳纖維表面的粗糙度和比表面積增加。此外，由于等離子體粒子一般具有幾個到幾十個電子伏特的能量[1]，撞擊在碳纖。維表面可能引發自由基反應，從而可以在碳纖維表面引入化學活性基團。等離子體表面處理雖然可以有效改善復合材料的界面性能，但過度的等離子體處理會降低碳纖維自身的拉伸強度。因此，等離子體改性需要嚴格控制處理條件，在不犧牲纖維自身力學性能的基礎上增強界面性能。

3 納米粒子改性法

在碳纖維表面引入納米增強顆粒，構筑微納多尺度雜化碳纖維增強體，能夠有效提高碳纖維表面的粗糙度，加強樹脂基體與碳纖維之間的機械嚙合作用，是提高CFRHPTP界面性能的有效方法。碳納米管（CNT）作為一種有著優異機械性能、良好導電導熱性能的納米增強材料，已經廣泛應用到了復合材料改性當中。將CNT引入碳纖維表面是一種能改善碳纖維與樹脂基體界面性能的有效方法。Park等通過電泳法將多壁碳納米管（MWCNTs）沉積在碳纖維表面，并將這種MWCNTs改性的多尺度雜化碳纖維作為復合材料增強體，改善了碳纖維增強聚苯硫醚（PPS）復合材料的界面性能和電學性能。

4 結論

界面是碳纖維增強高性能熱塑性復合材料的薄弱環節，是影響其性能的關鍵因素之一。復合材料界面改性研究一直備受重視。本文總結了碳纖維增強高性能熱塑性復合材料界面性能的影響因素，并重點介紹了碳纖維增強高性能熱塑性復合材料界面改性的原理和方法[2]。

參考文獻：

[1]曾漢民，張志毅.結晶性高聚物基體復合材料的界面結晶效應[J].材料工程，2018（1）：6-10.

[2]林志勇，曾漢民.熱塑性碳纖維復合材料界面研究[J].高分子通報，2017（5）：56-61.