碳纖維表面對復合材料界面和濕熱性能的影響

李靈聰，于運花

（1．韶關學院化學與環境工程學院，廣東韶關512005；2.北京化工大學材料科學與工程學院，北京100029）

碳纖維表面對復合材料界面和濕熱性能的影響

李靈聰1，于運花2*

（1．韶關學院化學與環境工程學院，廣東韶關512005；2.北京化工大學材料科學與工程學院，北京100029）

為研究碳纖維表面物理和化學性能對碳纖維/環氧樹脂復合材料界面性能的影響.選用了4種碳纖維，采用掃描電鏡對纖維表面形貌進行觀察，光電子能譜儀被用于分析表面元素和官能團的類型和數量，動態接觸角測試用于表征碳纖維表面活化能.濕熱處理前后的層間剪切強度被用于比較復合材料的界面性能.結果顯示：碳纖維表面粗糙度、O/C比和活性碳原子比例以及表面能的提高，有助于提高碳纖維/環氧復合材料的界面性能和耐濕熱性能.

碳纖維；表面；復合材料；界面性能

碳纖維復合材料自20世紀50年代面世以來，以其獨特的性能．如高的比強度和剛度、低密度及設計的靈活性，主要用于火箭、航天、航空等尖端科學技術，隨著碳纖維復合材料性能的不斷完善和提高．目前在土木建筑、石油工業、汽車工業、體育器材等領域得到廣泛應用［1-3］.復合材料的界面在復合材料中扮演著十分重要的角色.界面作為增強體與基體連接的“橋梁”，是復合材料極為重要的微觀結構，對復合材料的物理機械性能有著至關重要的影響.復合材料的界面能否有效的傳遞負載，依賴于增強體和基體之間界面化學結合和物理結合的程度，強界面有利于應力的有效傳遞.復合材料的結構缺陷，例如小孔、雜質和微裂縫，常常傾向于集中在界面區域，這會引起增強復合材料性能的惡化.在材料使用過程中，由于濕氣和其他腐蝕性氣體的侵蝕，常常使界面相首先受到不可逆轉的破壞，從而成為器件損毀的引發點［4］.

碳纖維的表面狀態可分為表面物理狀態和表面化學狀態.表面物理狀態指的是碳纖維的表面形貌，包括溝槽，孔隙，凸起；表面化學狀態包括表面活性碳原子的比例，碳纖維表面官能團的種類和數量等.碳纖維表面惰性大、表面能低，缺乏有化學活性的官能團，反應活性低，與基體的粘結性差，界面中存在較多的缺陷，直接影響了復合材料的力學性能，限制了碳纖維高性能的發揮［5-10］.

本文主要著力于分析比較T700級和T800級碳纖維表面性能對復合材料界面性能和濕熱性能的影響.采用掃描電鏡（SEM）對碳纖維表面形貌進行觀察，采用X射線光電子能譜儀（XPS）對纖維表面元素和官能團進行表征，同時采用動態接觸角法測試碳纖維表面自由能.以環氧樹脂為基體制備復合材料，濕熱處理前后復合材料的層間剪切強度用于比較碳纖維與樹脂基體的界面結合強弱.

1 實驗材料及方法

1.1 原材料及來源

增強纖維：進口T700SC碳纖維，進口T800HB碳纖維，日本東麗公司；國產T700碳纖維，國產T800碳纖維，山西煤化所.樹脂：E-51環氧樹脂，巴陵石化.固化劑：6-甲基-四氫苯酐，上海阿拉丁；促進劑：2-乙基-4-甲基咪唑，上海阿拉丁.

1.2 試樣

所用復合材料試樣均為單向纖維增強復合材料，纖維體積分數為60%，試樣尺寸為20×6×2 mm.

1.3 實驗方法

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對碳纖維表面形貌，XSAM800型X射線光電子能譜儀被用于表征碳纖維表面元素及官能團的種類和含量，OCA 20型動態接觸角測試儀被用于表征碳纖維表面自由能.復合材料試樣置于71℃去離子水中恒溫放置7天后取出.處理前后的復合材料層間剪切強度均采用Instron1811型萬能材料實驗機測試.

2 結果與討論

2.1 碳纖維表面形貌

碳纖維表面形貌如圖1所示，從圖1中可以看出，國產T700碳纖維表面溝槽既多且深，粗糙度高于進口T700碳纖維.而進口T800碳纖維表面比國產T800碳纖維較為粗糙.碳纖維表面的溝槽能在復合材料成型時提供更多的機械鉸合點，有利于提高界面結合強度.

圖1 碳纖維表面形貌

2.2 碳纖維表面化學活性

纖維表面元素中O/C比例在一定程度上反映了碳纖維與樹脂基體反應活性的高低，O/C越高，界面中化學結合機會越多，可以形成更好的界面結合.從表1中可以明顯看出，在T700級碳纖維中，進口T700碳纖維表面O元素含量幾乎一致，但國產T700碳纖維表面C元素含量較低，從而導致國產T700碳纖維表面O/C比例高于進口.進口T800碳纖維表面C元素含量較國產低，而O元素含量較高，使其表面O/C比高于國產T800碳纖維較多.由此判斷，國產T700碳纖維表面活性高于進口T700，而國產T800碳纖維表面活性低于進口T800.

表1 進口T700和國產T700，進口T800和國產T800碳纖維表面元素%

進口T700和國產T700，進口T800和國產T800碳纖維C1s譜分峰比例見表2.從表2中也可以看出，國產T700碳纖維表面活性C原子比例高于進口T700，而國產T800碳纖維表面活性C原子比例低于進口T800，與O/C比規律一致.表面化學活性越高，越有利于碳纖維與樹脂基體發生化學反應，增強界面化學結合.

表2 進口T700和國產T700，進口T800和國產T800碳纖維C1s譜分峰比例%

2.3 碳纖維表面自由能

固體的表面能越大，其對液體的浸潤性越好.進口T700和國產T700，進口T800和國產T800碳纖維接觸角和表面能，見表3.從表3中可以看出，表面能結果與O/C比，活性碳原子比例結果一致，仍舊是國產T700高于進口T700，而國產T800低于進口T800.由此推測在以同種樹脂為基體制備復合材料時，國產T700和進口T800在浸潤性上具有相對優勢.

表3 進口T700和國產T700，進口T800和國產T800碳纖維接觸角和表面能

2.4 碳纖維/E51復合材料界面性能

層間剪切強度在一定程度上反映了碳纖維與樹脂基體間的界面結合強弱.復合材料濕熱處理前后層間剪切強度如圖2所示.從圖2中可以看出，濕熱處理前后，國產T700/E51復合材料層間剪切強度ILSS及強度保留率均高于進口T700/E51，進口T800/E51復合材料ILSS及保留率均高于國產T800/E51.此結果證明國產T700相對于進口T700，進口T800相對于國產T800，與環氧樹脂基體形成了更好的界面結合，最終使得復合材料界面性能和耐濕熱性能更好.

圖2 復合材料濕熱處理前后層間剪切強度

3 結論

國產T700，進口T800以其分別相對于進口T700，國產T800來說更高的表面粗糙度，更高的表面化學活性以及更高的表面自由能，使得國產T700，進口T800復合材料具有更好的界面結合，并最終導致復合材料具有更高的力學強度和耐濕熱性能.由此推斷，碳纖維表面粗糙度提升，表面化學活性增大以及表面能的提高有利于提高復合材料的界面結合強度，從而提高復合材料整體機械性能.

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The Impact of Surface Characteristics of Carbon Fibers to CF/epoxy Composites Interfacial Properties

LI Ling-cong1，YU Yun-hua2
（1.Chemistry and Environment Engineering,Shaoguan University,Shaoguan，512005 Guangdong，China；2.College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology,School or Department，University，Beijing 100029，China）

This paper focus on the influence of carbon fibers'surface properties to CF reinforce epoxy composites properties.Four types of carbon fibers were used in this work.It used scanning electron microscopy to observe the surface morphology,XPS was used to analyze the type and proportion of the elements and functional groups on the fibers'surface,and the dynamic contact angle measurement was used to characterize the surface activation energy. The inter laminar before and after hygrothermal treatments was chosen to compare the interfacial properties of CF/epoxy composites.The results show that the increasing of the surface roughness,the ratio of O/C and the proportion of active carbon atoms,the surface energy of carbon fibers improve the interfacial properties and hygrothermal resistances of CF/epoxy composites.

carbon fiber;surface characteristics;composites;interfacial properties

TB33

A

1007-5348（2016）12-0025-04

（責任編輯：邵曉軍）

2016-09-22

李靈聰（1989-），男，湖南郴州人，韶關學院化學與環境工程學院教師，碩士；研究方向：功能高分子及復合材料.