碳纤维复合材料的气相氧化法

  气相氧化法是将碳纤维在空气、O₂.O₃及CO₂等氧化性气体中进行表面氧化。经过表面氧化处理后,纤维表面杂质被除去,比表面积增大,极性基团增多,复合材料界面强度和力学性能得到提高。

  气相氧化对碳纤维力学性能的影响有许多解释,并已证明它依赖于进行氧化的实验条件。气相氧化后碳纤维的表面形貌和化学基团均发生变化,对于两者在提高复合材料力学性能方面的作用,不同研究者的观点不同。气相氧化后碳纤维的表面粗糙度增加,纤维与树脂间界面粘结性得到改善,复合材料的ILSS显著提高,损耗模量降低。研究人员用O₂氧化处理碳纤维后发现,其表面生成许多可与基体环氧基发生化学反应的含氧基团,使CFRP的ILSS提高40%~76%。他们认为两相界面间的化学反应是ILSS提高的主要原因,物理锚锭效应则是次要的。

  研究人员碳纤维经O₂/(N2+ O₂)混合气体氧化处理前后的最大区别是处理后碳纤维C=O含量较高,复合材料的ILSS提高了69%,其原因是处理后表面增多的C=O增强了纤维与基体界面的负电性和极性。王军祥等国]也认为基体表面基团与氧化处理后纤维表面活性官能团间的化学键结合是增强复合材料两相粘接的主价键力。

  在气相氧化法中,O₃是使用得较多的一种氧化剂,它的显著特征是随着温度的升高而快速分解,分解物之一初生态氧是一种很强的氧化剂,氧化能力比O₂、Cl2和KMnO₄,都要高,仅次于Fr,可用来氧化碳纤维表面的不饱和碳原子,生成含氧官能团。研究人员用O₃氧化碳纤维后,纤维表面含氧基团,尤其是C=O和-COOH显著增多,纤维表面粗糙度、表面张力和浸润性能显著提高,复合材料的IL.SS和界面剪切强度均提高50%以上。他们认为这是处理后纤维和树脂间化学键合和物理锲合共同增强的结果。

  气相氧化法设备简单,反应时间短,易于实现工业化,但是反应难控制,复性差,而且对纤维拉伸强度(TS)的损伤比液相氧化大。过度氧化处理会刻蚀纤维内部结构,使其损伤,导致性能下降。在不同时间和温度下对碳纤维进行空气氧化处理,发现550℃时处理100s,碳纤维TS下降15.66%,处理200sTS下降37.41% ,600℃时处理200s,TS下降47.35%。他们认为随着氧化时间的延长和温度的升高,纤维表面被过度氧化,不仅扩大了原有缺陷,还增加了新的缺陷和孔洞,使TS下降。

  进一步研究发现,虽然纤维表面在500℃时就已被过度刻蚀而使得TS急剧下降,但单向CFRP(UD-CFRP)的ILSS变化不大,甚至还增大,580℃时,纤维TS下降41. 58%, UD-CFRP的ILSS仍可达到97.1MPa,虽然纤维受到损伤,但由于其与基体粘结牢固,可以很好地传递应力,使碳纤维的利用率得到提高。因此,用气相氧化法处理碳纤维时,要控制改性的工艺参数,合理地处理碳纤维,使复合材料的综合力学性能最优。