探討基于碳纖維改性的復合材料性能優化

摘 要：碳纖維改性能夠使纖維表面的活性得到極大的提高，使纖維和基體之間的結合強度得到增強，從而實現提高復合材料力學性能的目的。經過多年的發展以及專業人士的不懈努力，碳纖維改性已經衍生出了多種方法，目前使用較為廣泛的有氧化法、接枝法、表面沉積法，雖然方法眾多，然而目的都是改善纖維與基體的結合度，提高復合材料的力學性能。本文詳細分析了幾種應用較為廣泛的改性方法，希望能夠對有關人員有所幫助。

關鍵詞：力學性能;復合材料;碳纖維改性

0 引言

碳纖維復合材料因其可塑性強、耐腐蝕等優勢，被廣泛應用于航空軌道交通以及醫療等領域。但是碳纖維復合材料也存在較為明顯的缺陷，由于基體的原因，導致其耐高溫能力較差，韌性也不夠強。也正是由于這些因素，導致碳纖維復合材料的發展受到限制，無法應用于更多的領域。因此碳纖維復合材料的改性十分必要，這也是決定碳纖維復合材料是否能夠得到廣泛應用的關鍵。

1 碳纖維改性的重要意義

碳纖維是一種含碳量極高的纖維，因其具有強度高、耐高溫、經腐蝕的特性，在各個領域受到了廣泛的應用。但是由于碳纖維原絲的表面非常光滑，并且缺少活性官能團，碳纖維表面也具有很強的惰性，所以在使用一些普通的纖維材料時，會出現纖維與基體結合不緊密的情況，導致基體的負載也無法傳遞到纖維上，纖維的功能也就無法充分發揮，使復合材料的力學性能受到了嚴重的影響。這也是碳纖維性能發展遠遠超過復合材料性能的主要原因。為了解決該問題，實現碳纖維性能與復合材料性能的共同發展，就必須對碳纖維表面進行改性，提升纖維與基體之間的結合度，充分的發揮出纖維的作用，從而有效的提升材料的性能。

2 碳纖維的改性方法

為了使碳纖維與基體之間能夠緊密的結合，就必須從增強纖維表面活性、使纖維表面產生自由基等方式來開展。目前常見的手法有以下幾種。

2.1 氧化法

氧化法指的是在合適的條件下通過氧化劑的方式來氧化纖維表面，通過氧化反應，纖維表面會產生活性基團，使碳纖維表面富含活性。根據氧化材料以及方式的不同，大致可以將氧化法分為三種，即電化學氧化、氣相氧化以及液相氧化。電化學氧化的原理是利用碳纖維具有導電的性質，將其作為該反應的陽極，將一些耐腐蝕、強度高的材料作為陰極，如不銹鋼材料等。該方法能夠通過電解產生的活性氧使碳纖維表面充斥活性基團，從而提升纖維表面的活性以及粗糙度，提高其力學性能，使碳纖維能夠與基體進行更加緊密的結合。而氣相氧化法是通過獨特的氧化劑，在一定條件下，對碳纖維的表面實施專業的氧化處理。如今應用較為廣泛的氣體氧化劑有O2、O3等。液相氧化是采用一些具有很強氧化性的液體來對碳纖維的表面實施專業處理。應用較為廣泛的液體氧化劑有H2SO4、HNO3、KMON4等。

2.2 接枝法

化學接枝法是采用一些專業的化學手段碳纖維表面產生自由基，然后再引發單體等在纖維表面聚合從而達到改性的目的，在進行操作時可以根據實際需要來選擇接枝單體或者是聚合條件，該方法具有接枝單體多樣，聚合條件簡單，實施過程溫和等特點，然而該方法碳纖維表面活性基團分布比較混亂，導致接枝點不均勻，過程以及結果都難以控制。而輻射接枝法則是利用高能射線在碳纖維表面接枝單體或是一些聚合物，該方法不需要其余的催化劑和引發劑，在常溫下即可發生反應，產生反應的要求也比較低，整個過程都在可操控范圍內。而等離子接枝法是在一定條件下引入等離子體沖擊纖維的表層，并且引入官能團。根據實施環境的不同，大致可以將其分為高溫等離子接枝法和低溫等離子接枝法，該方法效率高、速度快，而且無污染。

2.3 表面沉積法

表面沉積法指的是在特定條件下，采用專業手法在碳纖維表面沉積一些特殊物質，從而產生一層特殊的薄膜。并以此達到提升基體與纖維之間的結合度的目的。目前應用較為廣泛的沉積法有氣相沉積法、電沉積法以及化學鍍。

氣相沉積法指的是在碳纖維中加入活性炭，從而達到提高材料性能的目的。電沉積法是通過引入直流電進入電解質溶液中，進而從通過電化學反應在溶液中得到金屬層，該操作手法發展較為成熟，通過該方法取得的金屬層厚度比化學鍍厚，從而具有成本低和使用期長的優勢?；瘜W鍍別名無電電沉積，其操作手法與電沉積法十分相像，是通過還原劑與溶液之間產生的氧化還原反應在碳纖維表面形成鍍層。采用該方法所獲得的鍍層較為均勻，并且空隙很小，但是鍍液使用成本較高，并且使用周期很短，效率也較為低下。

2.4 表面電聚合

表面電聚合是近年來誕生的新型改性技術，其改性方法是在通過電場的特性來讓碳纖維發生反應，產生聚合物，并且形成涂層。與此同時引入活性基團，提高纖維與基體之間的結合度。在一定條件下，在碳纖維的表面聚合吡咯，當完成反應后，碳纖維的表面性能能夠得到顯著提升，從而使纖維與基體的浸潤性得到提高，由此可見表面電聚合改性對提升碳纖維力學性能的重要作用。

3 碳纖維改性的重要性

經過改性后，基體的負載能夠順利的傳導到纖維材料中，復合材料的剪切強度得到了明顯的提升，主要原因還是因為碳纖維與基體的融合度得到了提升。然而雖然碳纖維改性具有巨大的優勢，能有有效的提升表面粗糙度和活性，但是卻會刻蝕碳纖維表面，導致碳纖維的其余性能受到影響，出現顧此失彼的情況。為了改善該情況，專業人員使用專業技術來提升碳纖維垂直方向的力學性能。以往的碳纖維改性會導致材料的韌性降低，造成該現象的主要原因是纖維與基體的結合都雖然得到了極大的提升，但是殘存的能量卻無法通過二者之間的間隙消耗出去，能量過剩導致基體和纖維都受到破壞，從而導致材料韌性降低。為了改善該情況，專家在改性劑中添加了一些納米材料，其目的是通過納米材料的橫滑運動來消耗其中的剩余能量，從而使材料的韌性強度得到提升。因此，在開展該項工作時，必須根據對復合材料性能的實際需求來選擇科學合理的改性方法，將改性交過發揮到最佳。

4 發展展望

對碳纖維性能產生影響的因素非常多，纖維與基體之間的匹配程度、生產過程中的質量控制以及各項參數都可能對其性能產生影響。本文分析的幾種碳纖維改性方法的目的都是使纖維和基體能夠更加緊密的結合。碳纖維具有耐腐蝕以及強度高的特點，在經過改性后，力學性能得到提高，與基體之間也能夠更加緊密的結合。改性技術有效的提高了碳纖維材料的強度，使其能夠應用于更多的領域，在未來必將受到廣泛的應用。

5 結束語

碳纖維改性能夠使纖維表面的活性得到極大的提高，使纖維和基體之間的結合強度得到增強，從而實現提高復合材料力學性能的目的。然而通過改性雖然能夠有效的提高某項力學性能，但是卻會對其他的性能產生一定的削弱。因此，在開展改性工作時，一定要結合自身的實際需求來開展操作，選擇合適或者采用多種改性方法結合的方式，將效果發揮到最大。

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作者簡介：

王罡（1988- ），男，漢族，黑龍江尚志人，碩士，主要研究方向：高性能碳纖維復合材料。