碳纖維表面處理及其復(fù)合材料性能研究

張安花（廈門新凱復(fù)材科技有限公司，福建 廈門361021）

碳纖維主要和樹脂等材料復(fù)合，具有增強作用，可制造出更先進的復(fù)合材料。但因類石墨結(jié)構(gòu)其表面存在一定化學(xué)惰性，很難浸潤樹脂及化學(xué)反應(yīng)，表面難與樹脂結(jié)合，進而影響復(fù)合材料強度。故需改變碳纖維表面性質(zhì)，以增加碳纖維表面的極性官能團及表面活化，進而更容易浸潤和發(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度。通常采用偶聯(lián)劑涂層法、氧化法、等離子等處理方法.在航空領(lǐng)域因耐燃效果需求高使用酚醛樹脂，而市面上的碳纖維較少有偶聯(lián)劑涂層適用酚醛樹脂，本文研究液相氧化法與超聲協(xié)同處理碳纖維表面，達到增加酚醛樹脂碳纖維復(fù)合材料強度。

1 實驗方法

1.1 碳纖維表面處理方法

（1）碳纖維表面的上漿劑脫除 選用PAN 基碳纖維，型號為Toray T700，使用乙醇/丙酮進行回流處理，其體積比為1:1，處理時間為48h，將碳纖維表面的上漿劑(即偶合劑)脫除

（2）脫漿后碳纖維再進行表面處理 處理方法有兩種: 第一，在濃硝酸中浸泡，溫度為60℃，處理時間為2h；第二，濃硝酸超聲處理2h，濃度為65%，250E II型超聲波，功率和頻率分別為250W 和40kHz。所有處理工作的結(jié)束后，去離子水清洗碳纖維，使其為中性，再在真空中烘干，溫度為80℃，直到碳纖維恒重量為止。

1.2 復(fù)合材料制備

采用碳纖維與PF475酚醛樹脂制成復(fù)合材料預(yù)浸布，酚醛樹脂與異丙醇制成固成份70%的樹脂，使用纏繞法進行制作預(yù)浸材，制成纖維含量FAW 100g/m2，樹脂含量RC% 37%，用55度將溶劑烘烤至VC%1%以下的預(yù)浸材，再將預(yù)浸材進行積層堆疊成試片，采用成型溫度160 度，時間50min 進行加壓固化，制成2mm厚度復(fù)材試片。

2 碳纖維表面處理的實驗結(jié)果及復(fù)合材料性能研究

2.1 對碳纖維表面形貌與性質(zhì)的影響

采用SEM 探究碳纖維表面形貌，經(jīng)脫漿處理后的碳纖維表面比較光滑（圖1 a）,而經(jīng)硝酸浸泡受氧化刻蝕,使碳纖維表面出現(xiàn)溝壑結(jié)構(gòu)，變得比較粗糙（圖1 b）；濃硝酸超聲處理的碳纖維表面則變得更加粗糙且均勻密集（圖1 c），說明，受到硝酸的氧化刻蝕與超聲波沖擊表面產(chǎn)生了空化刻蝕兩種方法協(xié)同處理，在固液界面出現(xiàn)微射流以及沖擊波且速度較快，增加了許多大小不同塊狀、線狀等斑痕或凸起，其表面變得更加粗糙，實現(xiàn)了表面改性。

圖1 經(jīng)過不同處理的碳纖維表面SEM圖

經(jīng)能譜分析，經(jīng)過脫漿處理的碳纖維表面C元素含量較高，O元素含量則與之相反。在硝酸浸泡后，纖維表面的羥基等官能團含量受氧化作用影響而增多11.28%。在濃硝酸超聲處理后，超聲波的協(xié)助作用，碳纖維表面進一步氧化，O元素含量也隨之增多約2倍,進而增加O元素和C元素的比例，使活性基團的數(shù)量增多。

2.2 對碳纖維干絲拉伸強度的影響

使用萬能材料試驗機進行測試碳纖維干絲拉伸強度，經(jīng)過不同的表面處理，碳纖維干絲拉伸強度有不同程度的下降。因為碳纖維表面在處理過程中會受到刻蝕影響，進而降低纖維強度。而且表面刻蝕效果越大，拉伸強度下降越明顯。濃硝酸在碳纖維表面帶來刻蝕斑，干絲拉伸強度降低了3.7%。而濃硝酸與超聲結(jié)合的處理方式對碳纖維表面的影響更大，因有明顯的刻蝕現(xiàn)象，造成復(fù)絲拉伸強度明顯下降，下降了5.2%。但在其下降并不多的情況下，表面處理后其表面更加粗糙增加了錨定效果，且空化活性也相對較大，更有利于與酚醛樹脂浸潤結(jié)合，使復(fù)合材料界面更緊密連接，更加牢固，制得的復(fù)合材料性能更佳[3]。

2.3 對復(fù)合材料性能的影響

根據(jù)圖2可以看出，在經(jīng)過上漿劑脫除處理后，不同處理方式都可以增加復(fù)合材料拉伸和彎曲與沖擊強度，其中硝酸超聲協(xié)同處理的效果最為明顯。可見，硝酸氧化和超聲處理可以改變碳纖維表面性質(zhì)，進而提升強度。因濃酸處理會增加碳纖維表面粗糙度，也會增加含氧官能團的數(shù)量。超聲處理增強碳纖維的分散性，促進硝酸對表面的刻蝕作用，增加了纖維與樹脂界面之間的化學(xué)鍵合作用，使二者的結(jié)合更加緊密，從而提升了復(fù)合材料力學(xué)性能。

圖2 經(jīng)處理后復(fù)合材料強度對比圖

2.4 對復(fù)合材料斷面界面形貌的影響

通過SEM 觀察復(fù)材試片斷面界面形貌，(如圖3)，從圖3 a可以看出，未經(jīng)處理的試片斷面其纖維有些裸露，斷面較為雜亂，部分纖維與酚醛樹脂無法結(jié)合，斷面有些纖維被拔出，樹脂分布較不均，斷裂處不整齊有點分層，這會導(dǎo)致界面強度低。從圖3 b 可看出,經(jīng)硝酸處理的試片斷面，纖維裸露減少，界面較模糊，沒有分層，說明纖維與酚醛樹脂結(jié)合較好，氧化刻蝕形成的溝壑與樹脂結(jié)合，界面強度有所提升，但表現(xiàn)為脆性斷裂形態(tài)。圖3 c 經(jīng)硝酸超聲處理的試片斷面可看出，樹脂富集區(qū)較均勻，斷面較整齊且沒有分層,纖維界面基本被樹脂包裹，緊密結(jié)合一起,斷面較少孔洞，說明纖維與酚醛樹脂緊密結(jié)合，大大提升了界面強度。

圖3 經(jīng)過不同處理的碳纖維復(fù)材斷面SEM圖

3 結(jié)語

綜上所述，采用濃硝酸浸泡、濃硝酸超聲兩種處理方式，脫漿后的碳纖維表面會出現(xiàn)不同的變化，兩者都能在一定程度上改變碳纖維的表面性質(zhì)。其中，硝酸和超聲的協(xié)同處理對碳纖維表面性質(zhì)的影響最大，其結(jié)合了刻蝕作用和空化效應(yīng)，可以使表面變得更加粗糙，也能提升含氧官能團的數(shù)量，能夠制作強度更高的碳纖維酚醛復(fù)合材料。