碳纤维复合材料表面液相氧化法解析

  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳.抗蠕变、导电、传热和热膨.胀系数小等一系列优异性能,广泛应用于航空航天构件和体育用品中。CFRP的力学性能主要取决于基体的力学性能、碳纤维和基体的结合性能以及两者界面应力的传递方式,而后2种性能与纤维的表面性质密切相关。因此,有必要对碳纤维进行处理,清除其表面杂质,形成微孔和刻蚀沟槽,使其从类石墨层面改性成为石墨状结构以增强表面能;在其表面引人极性官能团以及形成与树起作用的中间层,改善与基体之间的粘结,从而提高复合材料力学性能。

  液相氧化法使用的氧化剂有HNO3、酸性K2Cr2O、NaCIO3、H2O2和K2S2O8等。液相氧化法对改善CFRP的ILSS很有效,HCIO3、H3PO4, FCl3有机异氰酸盐、NaCI04/HNO3,等溶液处理都能改善碳纤维的表面性能,提高复合材料的ILSS.用可溶性氯酸盐和NaNO3、H2SO4、KMnO4的混合液处理碳纤维,能够在表面形成-COOH和-OH等极性基团从而提高界面性能; HNO3是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,HNO3处理碳纤维能够使其表面产生COOH、-OH和酸性基团,这些基团的数量随氧化时间的延长和温度的升高而增多;纤维表面沟槽明显增多有利于提高纤维与基体间的结合力。

  在多种液相氧化剂中,最有效的是强氧化剂与高浓度含氧酸的水溶液。研究人员采用15% KCIO3、 与40%H2SO4,的混合溶液改性碳纤维,效果显著,改性后纤维表面只增加了-COOH,极性提高,纤维与树脂的浸润性得到改善,有利于界面结合;而且这种氧化剂较温和,对纤维表面的氧化程度具有可控性,不会对纤维造成损伤。

  由于液相氧化法较气相氧化法温和,不易使碳纤维产生过度的刻蚀和裂解,而且在一定条件下处理后形成的含氧基团数量较多,因此是实践中常用的处理方法之一。但只有选择适当的氧化剂与氧化工艺,才能达到理想的效果,深度氧化会损伤碳纤维,降低复合材料的力学性能。采用HNO3,处理碳纤维的初期,纤维表面微孔、中孔数量、粗糙度、比表面积和累积孔体积迅速增加,吸附能力大大增强;但氧化5min后,纤维表面尖锐突起处发生氧化,微孔数量臧少,比表面积和累积孔体积降低,表面吸附能力减弱。研究发现HNO3对碳纤维的氧化是逐步进行的,适当氧化使纤维表面变得粗糙且沟槽较宽,但处理时间过长,纤维表面会出现不同程度的损伤,不利于提高强度。