籃球鞋用的碳纖維復合材料表面改性研究

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0094-04

Abstract：Inorder to improve the performanceof carbon fiber composites forbasketballshoes，the surface modificationof carbon fibers was carriedout，and the effcts of NiOH modification timeon the wetting properties and mechanical properties of carbon fiber composites were investigated.The results showed that NiOH modified carbon fibers with good surface properties could be prepared by using urea as precipitant. When the medium was water and diiodomethane，the contact angle and surfaceenergyof the modified carbon fiber were lower and higher than that of theunmodifiedcarbon fiber，respectively，andthe longer thesurface modification time，thesmalerthe contact angle andthe greater the surface energy of the modified carbon fiber.The flexural strength Wq and flexural modulus of the modified carbon fiber composites were higher than those of the unmodified carbon fiber composites，and the longerthemodification time，the W mathbfq" and increased first and thendecreased，and the maximum value wasobtained when the modification time was ，and then the modification time of the carbon fiber was increased，and the Wm of the material decreased.The suitable time for modifying carbon fiber was ，and the modified carbon fiber composite had good Pand

Key Words ：basketball shoes ；carbon fiber； modified composites；interlayer shear strength ；bending performance

碳纖維復合材料由于具有強度高、耐熱性好、抗沖擊性能高、耐腐蝕性良好等特點[1-3]，在現代體育器械、籃球鞋、足球鞋等領域有著廣泛應用。對于碳纖維復合材料而言，其界面結合性是影響其最終力學性能的關鍵4，這主要是因為碳纖維復合材料的碳纖維與環氧樹脂等基體結合時的界面性能在受力過程中會成為薄弱環節[5]，如果碳纖維與環氧樹脂的界面浸潤性和結合力較差，則很難發揮碳纖維復合材料中碳纖維的增強體作用[6]。最為可行的方法是對碳纖維進行表面改性處理，通過改善原始碳纖維的表面狀態，來提高與與環氧樹脂的界面浸潤性和結合力[79]。目前，碳纖維的表面改性方法主要有化學接枝法、物理沉積等，這些方法雖然可以有助于改善碳纖維的表面性能并提升復合材料的力學性能，但是存在工藝復雜、成本較高以及存在環境污染等缺點[10-13]。基于籃球鞋對纖維復材彎曲性能和層間剪切強度等性能要求的提高，嘗試采用一種在碳纖維表面原位生長氫氧化鎳的方法改善碳纖維的表面狀態，并考察其對力學性能的影響，以期為籃球鞋用纖維復材設計與開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料與設備

原材料主要包括：T300型碳纖維、雙酚A型環氧樹脂（環氧值0.50）、市售氫氧化鎳（NiOH）納米粒子、氫氧化鈉、尿素。

儀器設備包括：XTM-105SF-300T熱壓成型機、JSM-6800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡、D8ADVANCE型X射線衍射儀、QH6動態接觸角測定儀、MTS-809型萬能材料試驗機。

1.2 試樣制備

采用化學浴的方法對原始碳纖維進行表面改性（沉淀劑為氫氧化鈉和尿素），具體工藝為將碳纖維浸泡在沉淀劑中持續 ，取出后用清水沖洗并吹干，然后浸入0.15L氫氧化鎳溶液中，88℃反應 0～4h 后取出清洗吹干，得到氫氧化鎳改性碳纖維。其中，當改性時間為xh，氫氧化鎳改性碳纖維簡稱為NCFx，相應的改性碳纖維復合材料為NCFEx，依次類推。將氫氧化鎳改性碳纖維與雙酚A型環氧樹脂置于成型模具中[14]，在XTM－105SF-300T 熱壓成型機上進行熱壓，設置溫度為88℃、壓力為8MPa、熱壓時間為 60min ，固化完成后取出空冷至室溫，得到改性碳纖維復合材料，并采用切割機加工成被測試樣。

1.3 測試方法

表面形貌：JSM-6800型掃描電子顯微鏡觀察；物相分析：MiniFlex600X射線衍射儀進行測試；接觸角（介質為水和二碘甲烷）：QH6型動態接觸角測定儀測試；室溫層間剪切強度（ IISS，20mm×7mm× 2mm 和彎曲性能 100mm×12mm×2mm ：在MTS-809型萬能材料試驗機中進行，結果都為6個平行試樣的平均值。

2 結果與討論

2.1 顯微形貌和物相組成

圖1為原始碳纖維和改性碳纖維的掃描電鏡顯微形貌。

由圖1可知，原始碳纖維表面可見縱向排布的原始加工溝槽；以NaOH為沉淀劑進行改性處理后，改性碳纖維表面溝槽基本消失，可見較多的灰白色顆粒狀物質覆蓋在碳纖維表面；對于以尿素為沉淀劑的改性碳纖維，表面可見針葉狀的氫氧化鎳附著。為了增強碳纖維表面附著力，選擇以尿素為沉淀劑制備的改性碳纖維可以獲得良好的表面性能，以便在后續制備碳纖維復合材料時有良好的界面結合力，并增強碳纖維復合材料的力學性能。

圖1原始碳纖維和改性碳纖維的掃描電鏡表面形貌

圖2為原始碳纖維和改性碳纖維的X射線衍射圖譜，分別列出了原始碳纖維（NCFO）、尿素為沉淀劑的氫氧化鎳改性碳纖維（Ni（OH） ）和Ni（OH）粉末的XRD圖譜。

由圖2可知，對于原始碳纖維（NCFO），XRD圖譜中可見 的（002）晶面的石墨衍射峰；對于 粉末，XRD圖譜中可見（001）、（100）、（101）（102）和（110）晶面的氫氧化鎳衍射峰；對于氫氧化鎳改性碳纖維（ ，XRD圖譜中可見氫氧化鎳和石墨衍射峰，這說明在氫氧化鎳改性碳纖維過程中，碳纖維表面已經成功制備氫氧化鎳，且不會對碳纖維基體結構產生影響[15]

2.2碳纖維的接觸角和表面能

表1為碳纖維在水和二碘甲烷中的接觸角和表面能測試結果。

接觸角和表面能分別低于和高于未改性碳纖維，表面改性時間越長則在介質中的接觸角越小、表面能越大。究其原因，主要與改性碳纖維表面附著了大量針葉狀的氫氧化鎳，增加了改性碳纖維的表面粗糙度，且改性時間越長則表面氫氧化鎳附著量越大[16]，表面能增大的同時會降低在水中和在二碘甲烷中的接觸角。

2.3碳纖維復合材料的層間剪切強度和彎曲性能

圖3為改性碳纖維的層間剪切強度測試結果，分別列出了不同改性時間下碳纖維的層間剪切強度。

由圖3可知，對于未改性的原始碳纖維，其層間剪切強度約為 45.2MPa ；改性碳纖維的層間剪切強度都高于未改性碳纖維，且隨著改性時間延長，改性碳纖維的層間剪切強度先增后減，在碳纖維改性時間為 時碳纖維取得最大的層間剪切強度，之后繼續增加碳纖維的改性時間，改性碳纖維的層間剪切強度反而會降低。這主要是因為適當的改性時間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時間過長，氫氧化鎳會在局部產生聚集，而成為薄弱區域優先發生開裂[17]，并降低改性碳纖維的層間剪切強度。

圖4為改性碳纖維復合材料的層間剪切強度測試結果。

由圖4可知，原始碳纖維復合材料的ILSS約為57.9MPa ；改性碳纖維復合材料的層間剪切強度都高于未改性碳纖維復合材料，且隨著改性時間延長，改性碳纖維復合材料的層間剪切強度先增后減，在改性時間為 時，碳纖維復合材料取得最大的層間剪切強度，之后繼續增加改性時間，改性碳纖維復合材料的層間剪切強度反而會降低。這主要是因為適當的改性時間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時間過長，氫氧化鎳會在局部產生聚集，團聚區域將成為薄弱區域優先發生開裂，并降低改性碳纖維復合材料的層間剪切強度[18]。因此，適宜的改性時間為 ，此時NCFE3具有良好的層間剪切強度，相較于未改性碳纖維復合材料的層間剪切強度提升了約 60.7% 。

圖5為彎曲性能結果，分別列出了不同改性時間下碳纖維復合材料的彎曲強度 和彎曲模量 。

由圖5可知，原始碳纖維復合材料的 和 分別為 596MPa 和 45.2GPa ；改性碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都高于未改性碳纖維復合材料，且改性碳纖維的改性時間越長則 和 先增后減，最大值在改性時間為 3h 時取得，之后繼續增加碳纖維的改性時間，改性碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量反而會降低。這主要是因為適當的改性時間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時間過長，氫氧化鎳會在局部產生聚集，團聚區域將成為薄弱區域優先發生開裂[19-20]并降低 和 。綜合考慮來看，對碳纖維進行改性的適宜時間為 3h ，此時改性碳纖維復合材料具有良好的 和 。

3結語

（1）為了增強碳纖維表面附著力，選擇以尿素為沉淀劑制備的改性碳纖維可以獲得良好的表面性能；在氫氧化鎳改性碳纖維過程中，碳纖維表面已經成功制備氫氧化鎳，且不會對碳纖維基體結構產生影響；（2）在介質為水和二碘甲烷時，改性碳纖維的接觸角和表面能分別低于和高于未改性碳纖維，表面改性時間越長則改性碳纖維的接觸角越小、表面能越大；（3）改性碳纖維復合材料的層間剪切強度都高于未改性碳纖維復合材料，且隨著改性時間延長，改性碳纖維復合材料的層間剪切強度先增后減，在改性時間為 時碳纖維復合材料取得最大的層間剪切強度，之后繼續增加改性時間，改性碳纖維復合材料的層間剪切強度反而會降低；

（4）改性碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量都高于未改性碳纖維復合材料，且改性時間越長則 和 先增后減，最大值在改性時間為3h時取得；之后繼續增加改性時間，改性碳纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量反而會降低。

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（責任編輯：蘇慢）