碳纤维表面处理对复合材料强度的影响

      1　前言
　　与传统金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、体育等领域。
　　碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，它具有乱层石墨结构，其密度仅为钢密度的1/4，具有优异的力学性能，热稳定性，是一种高性能的先进非金属增强材料。
　　尽管碳纤维性能优异，但，由于其属脆性材料，单独使用，许多性能无法得到充分的发挥。只有与其它基体材料结合成复合材料，材料性能形成互补，才能有效发挥其优异的力学性能，因此，碳纤维在复合材料中被用作增强相。
　　用作复合材料的树脂基可分为两大类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团的高分子量聚合物组成；成型时，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成具有网状交联体结构。常见的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在温度超过熔点时熔融，具有流变性，属物理变化。常见的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。
　　复合材料的界面由增强材料表面与基体材料表面相互作用形成的，它包含两相之间的过渡区域，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈连续梯度性变化。界面相的结构由增强材料与基体材料表面的组成及二者之间的反应性能决定的，因此纤维表现处理的结果将影响复合材料的性能。
　　通过纤维表面处理可以增强纤维表面的化学活性与物理活性，从而增加其与基体间的结合或粘结。目前，对纤维表面处理主要有空气氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法等方法。本文采用浓酸氧化处理、电化学处理方法对碳纤维表面进行处理，并利用SEM对比观察了处理前后纤维表面的形貌，研究碳纤维增强复合材料性能的影响。

       2　实验方法及条件
　　2.1 碳纤维表面处理过程
　　2.1.1 浓硝酸氧化处理
　　将一定长长的碳纤维置于浓硝酸溶液中，在室温条件下分别处理30、60、90分钟，然后经自来水、纯净水清洗数遍，干燥，既得到表面处理后的碳纤维。
　　2.1.2 电化学表面处理
　　配制一定浓度的稀酸溶液作为电解液，将清洗过的碳纤维作为阳极，在电解槽内进行阳极氧化表面处理，通电电压分别取1.2V、4.8V、10V和15V，处理时间为5min和10min，之后再经清洗、干燥，得到表面处理后的碳纤维。
　　2.2 抗弯强度测试
　　将表面处理的碳纤维与树脂粘结，热处理后，固定在沉积炉的两个电极上，通电加热至800～1100℃，沉积时间4～6h。
　　将试样加工成5mm×5mm×30mm，每组5个，采用三点弯曲法测试试样的抗弯强度，取5个数值的平均值作为每组试样的测试结果。
　　3　试验结果及讨论
　　3.1 浓硝酸表面处理时间长短对复合材料单向抗弯强度的影响
　　从表1中可以看出，碳纤维处理60分钟后，所制备的复合材料强度增幅最大，30分钟下，强度基本没变，90分钟强度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纤维表面的浆层，对纤维的强度没有明显的影响。复合材料强度的提高是因为表面浆层除去后，纤维表面的粗糙度增加，增加了快速升温过程中热解碳与纤维的亲和力和粘结强度。
　　3.2 电化学处理对复合材料抗弯强度的影响
　　碳纤维电化学处理过程易操作，（表2）为纤维表面电化学处理不同条件下单向复合材料的强度值，从处理结果可见，处理电压和时间变化对制备的复合材料的抗弯性能影响较大。在电压4.8V、10min处理条件时，由处理纤维制备的复合材料的抗弯强度比未处理的低3.6MPa，且电压升高至10V时，复合材料抗弯性能进一步恶化。
　　（图1）为不同处理碳纤维所制备的复合材料抗弯强度变化曲线，从中可以得出，采取5分钟处理，复合材料抗弯强度变化均匀，基本呈线性降低，而10分钟处理后，材料强度随电压增大降低幅度增大，这说明短时间电化学处理对纤维表面作用较温和，且处理效果随电压的增大，10分钟处理较5分钟处理强度降低幅度较大。这是由于高压长时间处理条件下，纤维表面破坏较严重，从而使得复合材料的力学性能下降。
　　4　结论
　 （1）碳纤维表面经浓硝酸处理后，表面浆层去除，沟槽进一步加深加宽，表面粗糙度和比表面积增加，有利于复合材料的抗弯强度的提高。但处理时间过长，纤维表面出现不同程度的损伤，这对提高材料强度是不利的。
　 （2）通过对纤维表面电化学处理的研究得知，采用低电压，短时间的处理条件，对碳纤维表面较温和，有效地提高了Cf/C复合材料的抗弯性能；高电压或长时间处理时，纤维表面出现“松树皮”状凸起，此时纤维本体受损严重，降低了复合材料的力学性能。
　 （3）对比浓硝酸氧化处理，电化学处理时间短，增强效果较明显，电化学对纤维表面作用包含至少除去薄弱外层和表面氧化刻蚀两种机理，甚至过程更为复杂。