孔云臻

摘 要：碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能，在軍用和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比于常規(guī)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能熱塑性樹脂復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱“CFRHPTP”）具有耐熱性高、耐腐蝕性好、高強(qiáng)度、高韌性、可回收再利用等優(yōu)勢(shì)，在軌道交通、航天航空、國(guó)防軍工等尖端前沿科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于CFRHPTP，高性能熱塑性樹脂作為連續(xù)相，碳纖維作為增強(qiáng)相，相互之間通過界面層結(jié)合。界面相作為纖維與樹脂間應(yīng)力傳遞的紐帶，直接影響到內(nèi)部應(yīng)力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制對(duì)復(fù)合材料整體性能起著決定性作用。

關(guān)鍵詞：碳纖維;高性能;熱塑性復(fù)合材料;界面改性

我國(guó)在CFRHPTP界面改性方面的研究大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚不能滿足我國(guó)航空、航天、國(guó)防等高端領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，有必要在該領(lǐng)域繼續(xù)開展深入研究，開發(fā)新的界面改性技術(shù)，以解決CFRHPTP棘手的界面問題，滿足我國(guó)尖端技術(shù)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料的迫切需求。筆者認(rèn)為，上漿劑改性法是有大規(guī)模應(yīng)用潛力的改性方法，新型熱塑性上漿劑的開發(fā)值得重點(diǎn)關(guān)注。

1 氧化法

碳纖維的結(jié)構(gòu)單元是六角網(wǎng)平面，邊緣不飽和碳原子、缺陷周圍碳原子的活性高，容易被強(qiáng)氧化劑氧化，在碳纖維表面引入羥基（-OH）、羰基（-CO）和羧基（-COOH）等含氧官能團(tuán)，可以增加碳纖維的表面化學(xué)活性、表面能，提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能。根據(jù)氧化介質(zhì)的不同，氧化處理方法可分為液相氧化法、電化學(xué)氧化法、氣相氧化法等。Wang等以硝酸為電解質(zhì)，對(duì)碳纖維進(jìn)行了電氧化處理，并采用XPS研究了在聚醚醚酮（PEKK）樹脂與氧化碳纖維之間的界面相互作用。XPS分析顯示，經(jīng)氧化處理后，碳纖維表面引入的“氫橋結(jié)構(gòu)”可與PEKK表面的羰基形成化學(xué)成鍵，而且復(fù)合材料的最終性能與CF/PEKK界面反應(yīng)的程度緊密相關(guān)。氧化法工藝較為簡(jiǎn)單，能有效刻蝕碳纖維表面并引入化學(xué)活性基團(tuán)，從而提高復(fù)合材料的界面性能。但如何控制氧化程度，防止過度氧化造成碳纖維本身機(jī)械性能下降是值得關(guān)注的問題。陽極氧化法氧化過程較為緩和均勻，且易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)配套生產(chǎn)，是目前碳纖維工業(yè)普遍采用的表面處理方法。而采用其他液態(tài)強(qiáng)氧化劑的氧化方法，多為間歇式處理，不適用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的小批量氧化處理。相關(guān)學(xué)者研究了常壓等離子體改性對(duì)碳纖維/聚酰亞胺（CF/PI）復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，等離子體改性裝置原理如圖1所示。結(jié)果表明，He/O2常壓等離子體改性處理在碳纖維表面引入了大量含氧官能團(tuán)，并顯著增加了碳纖維表面能和粗糙度，增加了樹脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性以及界面區(qū)域的機(jī)械嚙合作用，使得CF/PI的界面剪切強(qiáng)度提高了21%。

2 等離子體處理法

等離子體是指正負(fù)電荷的數(shù)量或密度基本相等而形成宏觀電中性的物質(zhì)集合體，等離子體處理法即使用等離子體撞擊碳纖維表面，從而對(duì)碳纖維表面進(jìn)行刻蝕，使碳纖維表面的粗糙度和比表面積增加。此外，由于等離子體粒子一般具有幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特的能量[1]，撞擊在碳纖。維表面可能引發(fā)自由基反應(yīng)，從而可以在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)。等離子體表面處理雖然可以有效改善復(fù)合材料的界面性能，但過度的等離子體處理會(huì)降低碳纖維自身的拉伸強(qiáng)度。因此，等離子體改性需要嚴(yán)格控制處理?xiàng)l件，在不犧牲纖維自身力學(xué)性能的基礎(chǔ)上增強(qiáng)界面性能。

3 納米粒子改性法

在碳纖維表面引入納米增強(qiáng)顆粒，構(gòu)筑微納多尺度雜化碳纖維增強(qiáng)體，能夠有效提高碳纖維表面的粗糙度，加強(qiáng)樹脂基體與碳纖維之間的機(jī)械嚙合作用，是提高CFRHPTP界面性能的有效方法。碳納米管（CNT）作為一種有著優(yōu)異機(jī)械性能、良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的納米增強(qiáng)材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了復(fù)合材料改性當(dāng)中。將CNT引入碳纖維表面是一種能改善碳纖維與樹脂基體界面性能的有效方法。Park等通過電泳法將多壁碳納米管（MWCNTs）沉積在碳纖維表面，并將這種MWCNTs改性的多尺度雜化碳纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，改善了碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料的界面性能和電學(xué)性能。

4 結(jié)論

界面是碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)，是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。復(fù)合材料界面改性研究一直備受重視。本文總結(jié)了碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料界面性能的影響因素，并重點(diǎn)介紹了碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料界面改性的原理和方法[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾漢民，張志毅.結(jié)晶性高聚物基體復(fù)合材料的界面結(jié)晶效應(yīng)[J].材料工程，2018（1）：6-10.

[2]林志勇，曾漢民.熱塑性碳纖維復(fù)合材料界面研究[J].高分子通報(bào)，2017（5）：56-61.