基于碳纖維改性的復合材料性能優化

韓冰 嚴炎

摘 要：碳纖維改性可以顯著提高纖維表面活性與粗糙度，增加纖維與基體結合度，提升復合材料整體力學性能。目前碳纖維改性的手段有很多，較為常見的有氧化法、接枝法、表面沉積法、表面涂覆法等。這些方法原理不盡相同，但是都可以達到改善纖維與基體結合度的目的。本文將介紹常見的碳纖維改性方法，并分析其對復合材料性能的影響，為工程實踐提供一定的指導。

關鍵詞：碳纖維；改性方法；復合材料；力學性能

一、碳纖維改性意義

碳纖維作為一種高性能纖維，具有比強度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等優異特性，被廣泛用于復合材料的增強體。但是碳纖維原絲表面較為光滑，缺少具有活性的官能團，所以使用未經任何處理的碳纖維制備復合材料，纖維無法與基體緊密地結合，基體上的負載也就不能有效地傳遞到纖維上，碳纖維的優異性能得不到充分的發揮，極大地限制了復合材料整體力學性能。這也就解釋了碳纖維性能在不斷提升，而復合材料整體性能卻停滯不前這一現狀。因此，對碳纖維表面進行改性，提升纖維與基體的結合度，充分發揮纖維的增強體作用，對提升復合材料性能具有重大的意義。

二、碳纖維改性方法

對碳纖維進行改性，提升碳纖維與樹脂間結合力，主要從以下幾個方面著手：刻蝕碳纖維表面，増大纖維比表面積；增加碳纖維表面活性基團含量；在碳纖維表面引進能與樹脂基體形成交聯化學反應的基團等。[1]目前常見的碳纖維改性方法有如下幾種：

（一）氧化法

該方法使用氧化劑在一定條件下氧化碳纖維表面，引入活性基團，提高碳纖維表面活性。根據氧化條件的不同，可分為電化學陽極氧化法、氣相氧化法和液相氧化法。

電化學陽極氧化法利用碳纖維的導電性質，以碳纖維為陽極，石墨板、不銹鋼板等耐腐蝕導電材料為陰極，酸堿鹽為電解液，在碳纖維表面發生陽極氧化。這一方法可以在碳纖維表面引入極性基團，增加其活性和粗糙度，提高碳纖維復合材料的界面結合度。

氣相氧化法利用氣體氧化劑，在一定溫度、氣壓條件下，對碳纖維表面進行氧化，常用的氣體氧化劑有空氣、氧氣和臭氧等。液相氧化法使用具有強氧化性的液體作為氧化劑，在一定條件下對碳纖維進行表面處理，常用的液體氧化劑有硫酸、硝酸、次氯酸、高錳酸鉀等。這兩種方法都可以顯著地提高纖維表面活性基團含量，尤其是含氧官能團。[2]

（二）接枝法

在碳纖維表面產生具有活性的自由基，以這些自由基為反應點，接枝所需要的單體。根據采用方法的不同，可將接枝法細分為化學接枝法、輻射接枝法和等離子體接枝法。

化學接枝法采用化學手段使碳纖維表面產生自由基，具有接枝單體多樣、聚合條件簡單、反應條件溫和等優點。輻射接枝法利用高能射線在碳纖維表面接枝單體或聚合物，無需催化劑，反應條件要求較低，且反應可控。等離子體接枝法使用等離子體在特定的環境氛圍下轟擊碳纖維表面，從而引入所需要的官能團；根據處理條件不同，可以將等離子接枝法分為高溫和低溫等離子體接枝法。

（三）表面沉積法

該方法在一定條件下，通過將特定的物質沉積附著在碳纖維表面，形成一層化學性質活躍的薄膜，提高纖維與基體的結合度。常見的表面沉積方法有氣相沉積法、電沉積法和化學鍍。

氣相沉積法是將兩種或兩種以上的氣體反應形成的新物質沉積到基材的表面。近年來，氣相沉積法成為制備碳納米管改性纖維的一種常用方式，通過該方法，碳納米管可以直接在經過催化劑處理后的碳纖維表面生長。電沉積法是在碳纖維中通入電流，在電解液環境下發生電化學反應，從而在纖維表面形成鍍層。化學鍍原理與電沉積法相似，僅利用還原劑與溶液間的氧化還原反應就可在纖維表面形成鍍層。這兩種方法操作簡單，工藝成熟，反應可控，目前都有較廣的應用。

三、碳纖維改性對復合材料性能的影響

經過改性后的碳纖維，其與樹脂間的結合度有顯著的提高，復合材料層合板整體力學性能將有明顯的變化。

改性后復合材料層合板的層間剪切強度明顯提高，這是碳纖維與基體結合度提升的直接結果。其次是復合材料層合板面內性能的變化，由于部分碳纖維改性方法在改善碳纖維表面粗糙度、反應活性的同時，還會蝕刻碳纖維表面，造成碳纖維自身力學性能的下降，削弱了復合材料層合板拉伸和彎曲等面內性能。目前有學者在碳纖維上生長碳納米管，該改性辦法可以提升垂直于纖維方向上的力學性能，提高復合材料的層間斷裂強度、壓縮強度，一定程度上改善了層合板的面內性能。[3]

此外，傳統碳纖維改性方法，會造成復合材料層合板的韌性下降，這主要是由于纖維與基體結合度加強，層合板中的能量無法通過纖維與基體間界面的滑移來消耗，導致基體與纖維瞬間破壞。目前有學者在改性劑中加入納米材料，通過納米顆粒的滑移來消耗一部分的能量，改善層合板的韌性，提高其抗沖擊性能。

因此，實際工程中，提升復合材料不同的力學性能，需要選擇不同的碳纖維改性方法，或者結合兩種及兩種以上的方法，[4]以達到最優的改性結果。

四、結語

碳纖維改性可以顯著提升其表面活性與粗糙度，增加其與基體間的結合度，進而提高復合材料的整體性能。但是一種改性方法在顯著提升某一力學性能的同時，對其他力學性能會有一定程度的削弱。因此，在實際工程中，結合自身需求，采用合適的改性方法，甚至多種改性方法結合，才能達到最優的效果。

參考文獻：

[1]吳波.聚丙烯腈基碳纖維的表面修飾及復合性能研究[D].天津工業大學，2017.

[2]Andideh M，Esfandeh M.Statistical optimization of treatment conditions for the electrochemical oxidation of PAN-based carbon fiber by response surface methodology：Application to carbon fiber/epoxy composite[J].Composites Science & Technology，2016，134：132-143.

[3]張清杰.官能化碳納米管/碳纖維多尺度增強環氧樹脂基復合材料基礎研究[D].北京化工大學，2016.

[4]錢水林.碳纖維表面處理技術探討[J].合成纖維，2008（11）：17-19.