碳纖維表面研究及表面處理-PPT

碳纖維表面研究及表面處理1碳纖維簡介碳纖維的表面研究碳纖維表面處理的目的幾種碳纖維的表面處理方法2一、碳纖維簡介碳纖維：由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500℃）碳化而成的纖維狀碳化合物，其含碳量在90%以上。碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、性能可設(shè)計等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于體育、醫(yī)療器材、航空、航天等領(lǐng)域。3碳纖維的結(jié)構(gòu)

瀝青基石墨纖維端口，石墨片從芯部向外經(jīng)向輻射，纖維表面有較淺的溝槽

石墨的六方晶體結(jié)構(gòu)理想的石墨點(diǎn)陣屬六方晶系，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。4碳纖維復(fù)合材料的性能由纖維、基體和界面層三個主要組成部分決定。

a.碳纖維是增強(qiáng)體，為主要的承力結(jié)構(gòu)。

b.樹脂基體可以傳遞和承受剪切應(yīng)力，保護(hù)纖維不受損傷和腐蝕。

c.界面是增強(qiáng)相和基體相的中間相,是增強(qiáng)相和基體相連接的橋梁,也是應(yīng)力及其他信息的傳遞者。

因此如何提高復(fù)合材料各組份間結(jié)合性,充分利用界面效應(yīng)的優(yōu)越性能,一直是復(fù)合材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究課題之一。5二、碳纖維的表面研究碳纖維表面有很多孔隙、凹槽、雜質(zhì)及結(jié)晶等，主要由碳和少量的氮、氧、氫等元素組成。

（PAN碳纖維中的碳含量約95%，石墨纖維碳含量達(dá)99%以上）

碳纖維表面只含碳、氫、氧元素，未經(jīng)表面處理的碳纖維表面約含有16.5%羥基、3.4%羰基，由于極性基團(tuán)的含量很少，不利于其與基體樹脂的粘結(jié)。碳纖維SEM形貌復(fù)合材料界面相6三、碳纖維表面處理的目的提高碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度第一，防止弱界面層（Weakboundarylayer）的生成。a.所吸附的雜質(zhì)、脫模劑等；b.界面層老化時形成的氧化層、水合物層等；c.與基體的不充分浸潤而所束縛的空氣層等。第二，產(chǎn)生適合于粘結(jié)的表面形態(tài)。增加表面粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機(jī)械嵌合,增強(qiáng)錨錠效應(yīng)。第三，改善樹脂和增強(qiáng)材料的親和力。

引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)，及能與樹脂起作用的中間層，如—COOH，—NH2，—OH等。7四、碳纖維表面處理方法碳纖維表面氧化處理氣相氧化法液相氧化法催化氧化法非氧化處理氣相沉積法電聚合法偶聯(lián)劑涂層法聚合物涂層法晶須生長法等離子體法沉積更活潑的碳和其他物質(zhì)引入極性基團(tuán)并消除弱界面層8大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)9碳纖維表面處理后層間剪切強(qiáng)度(ILSS)的提高情況

10等離子處理11等離子體處理對碳纖維表面性質(zhì)的影響

a.等離子體處理時間對碳纖維表面元素組成的影響不同處理時間下碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析12b.等離子體處理對纖維表面形貌的影響未處理碳纖維表面的AFM照片經(jīng)等離子體處理后碳纖維表面的AFM照片13等離子體處理對復(fù)合材料層間剪切破壞斷面的SEM分析未經(jīng)等離子體處理等離子處理后14等離子體處理的優(yōu)點(diǎn)：a.可以在低溫下進(jìn)行,避免了高溫對纖維的損傷；b.處理時間短,幾秒鐘就能獲得所需要的效果；c.經(jīng)改性的表面厚度薄，可達(dá)到幾微米，因此可以做到使材料表面性質(zhì)發(fā)生較大變化，而本體相的性質(zhì)基本保持不變。15氣相氧化法通過氧化纖維表面，從而引入極性基團(tuán)，并給予適宜的粗糙度，來提高復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。介質(zhì)：熱空氣或其中混合了一定量的空氣、O2、O3、CO2、CO、SO2、水蒸氣等氣體的混合氣體。處理溫度：一般400-600℃。反應(yīng)時間：根據(jù)碳纖維的種類和所需氧化程度而定。16石墨纖維的表面處理優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，反應(yīng)時間短，容易和CF生產(chǎn)線銜接起來，無污染，可連續(xù)處理。缺點(diǎn)：反應(yīng)較難控制，易使纖維縱深氧化，使CF拉伸強(qiáng)度損傷大。處理時應(yīng)避免過度氧化17液相氧化處理常用的處理方法之一，主要是去掉碳纖維表面的弱界面層WBL，引入各種極性官能團(tuán)而提高復(fù)合材料的界面粘接性能。最常用的氧化劑：硝酸

用硝酸氧化碳纖維,可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團(tuán),氧