摘 要：碳纖維改性能夠使纖維表面的活性得到極大的提高，使纖維和基體之間的結(jié)合強度得到增強，從而實現(xiàn)提高復(fù)合材料力學(xué)性能的目的。經(jīng)過多年的發(fā)展以及專業(yè)人士的不懈努力，碳纖維改性已經(jīng)衍生出了多種方法，目前使用較為廣泛的有氧化法、接枝法、表面沉積法，雖然方法眾多，然而目的都是改善纖維與基體的結(jié)合度，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。本文詳細分析了幾種應(yīng)用較為廣泛的改性方法，希望能夠?qū)τ嘘P(guān)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：力學(xué)性能;復(fù)合材料;碳纖維改性

0 引言

碳纖維復(fù)合材料因其可塑性強、耐腐蝕等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空軌道交通以及醫(yī)療等領(lǐng)域。但是碳纖維復(fù)合材料也存在較為明顯的缺陷，由于基體的原因，導(dǎo)致其耐高溫能力較差，韌性也不夠強。也正是由于這些因素，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展受到限制，無法應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。因此碳纖維復(fù)合材料的改性十分必要，這也是決定碳纖維復(fù)合材料是否能夠得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 碳纖維改性的重要意義

碳纖維是一種含碳量極高的纖維，因其具有強度高、耐高溫、經(jīng)腐蝕的特性，在各個領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用。但是由于碳纖維原絲的表面非常光滑，并且缺少活性官能團，碳纖維表面也具有很強的惰性，所以在使用一些普通的纖維材料時，會出現(xiàn)纖維與基體結(jié)合不緊密的情況，導(dǎo)致基體的負載也無法傳遞到纖維上，纖維的功能也就無法充分發(fā)揮，使復(fù)合材料的力學(xué)性能受到了嚴重的影響。這也是碳纖維性能發(fā)展遠遠超過復(fù)合材料性能的主要原因。為了解決該問題，實現(xiàn)碳纖維性能與復(fù)合材料性能的共同發(fā)展，就必須對碳纖維表面進行改性，提升纖維與基體之間的結(jié)合度，充分的發(fā)揮出纖維的作用，從而有效的提升材料的性能。

2 碳纖維的改性方法

為了使碳纖維與基體之間能夠緊密的結(jié)合，就必須從增強纖維表面活性、使纖維表面產(chǎn)生自由基等方式來開展。目前常見的手法有以下幾種。

2.1 氧化法

氧化法指的是在合適的條件下通過氧化劑的方式來氧化纖維表面，通過氧化反應(yīng)，纖維表面會產(chǎn)生活性基團，使碳纖維表面富含活性。根據(jù)氧化材料以及方式的不同，大致可以將氧化法分為三種，即電化學(xué)氧化、氣相氧化以及液相氧化。電化學(xué)氧化的原理是利用碳纖維具有導(dǎo)電的性質(zhì)，將其作為該反應(yīng)的陽極，將一些耐腐蝕、強度高的材料作為陰極，如不銹鋼材料等。該方法能夠通過電解產(chǎn)生的活性氧使碳纖維表面充斥活性基團，從而提升纖維表面的活性以及粗糙度，提高其力學(xué)性能，使碳纖維能夠與基體進行更加緊密的結(jié)合。而氣相氧化法是通過獨特的氧化劑，在一定條件下，對碳纖維的表面實施專業(yè)的氧化處理。如今應(yīng)用較為廣泛的氣體氧化劑有O2、O3等。液相氧化是采用一些具有很強氧化性的液體來對碳纖維的表面實施專業(yè)處理。應(yīng)用較為廣泛的液體氧化劑有H2SO4、HNO3、KMON4等。

2.2 接枝法

化學(xué)接枝法是采用一些專業(yè)的化學(xué)手段碳纖維表面產(chǎn)生自由基，然后再引發(fā)單體等在纖維表面聚合從而達到改性的目的，在進行操作時可以根據(jù)實際需要來選擇接枝單體或者是聚合條件，該方法具有接枝單體多樣，聚合條件簡單，實施過程溫和等特點，然而該方法碳纖維表面活性基團分布比較混亂，導(dǎo)致接枝點不均勻，過程以及結(jié)果都難以控制。而輻射接枝法則是利用高能射線在碳纖維表面接枝單體或是一些聚合物，該方法不需要其余的催化劑和引發(fā)劑，在常溫下即可發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)的要求也比較低，整個過程都在可操控范圍內(nèi)。而等離子接枝法是在一定條件下引入等離子體沖擊纖維的表層，并且引入官能團。根據(jù)實施環(huán)境的不同，大致可以將其分為高溫等離子接枝法和低溫等離子接枝法，該方法效率高、速度快，而且無污染。

2.3 表面沉積法

表面沉積法指的是在特定條件下，采用專業(yè)手法在碳纖維表面沉積一些特殊物質(zhì)，從而產(chǎn)生一層特殊的薄膜。并以此達到提升基體與纖維之間的結(jié)合度的目的。目前應(yīng)用較為廣泛的沉積法有氣相沉積法、電沉積法以及化學(xué)鍍。

氣相沉積法指的是在碳纖維中加入活性炭，從而達到提高材料性能的目的。電沉積法是通過引入直流電進入電解質(zhì)溶液中，進而從通過電化學(xué)反應(yīng)在溶液中得到金屬層，該操作手法發(fā)展較為成熟，通過該方法取得的金屬層厚度比化學(xué)鍍厚，從而具有成本低和使用期長的優(yōu)勢。化學(xué)鍍別名無電電沉積，其操作手法與電沉積法十分相像，是通過還原劑與溶液之間產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)在碳纖維表面形成鍍層。采用該方法所獲得的鍍層較為均勻，并且空隙很小，但是鍍液使用成本較高，并且使用周期很短，效率也較為低下。

2.4 表面電聚合

表面電聚合是近年來誕生的新型改性技術(shù)，其改性方法是在通過電場的特性來讓碳纖維發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生聚合物，并且形成涂層。與此同時引入活性基團，提高纖維與基體之間的結(jié)合度。在一定條件下，在碳纖維的表面聚合吡咯，當(dāng)完成反應(yīng)后，碳纖維的表面性能能夠得到顯著提升，從而使纖維與基體的浸潤性得到提高，由此可見表面電聚合改性對提升碳纖維力學(xué)性能的重要作用。

3 碳纖維改性的重要性

經(jīng)過改性后，基體的負載能夠順利的傳導(dǎo)到纖維材料中，復(fù)合材料的剪切強度得到了明顯的提升，主要原因還是因為碳纖維與基體的融合度得到了提升。然而雖然碳纖維改性具有巨大的優(yōu)勢，能有有效的提升表面粗糙度和活性，但是卻會刻蝕碳纖維表面，導(dǎo)致碳纖維的其余性能受到影響，出現(xiàn)顧此失彼的情況。為了改善該情況，專業(yè)人員使用專業(yè)技術(shù)來提升碳纖維垂直方向的力學(xué)性能。以往的碳纖維改性會導(dǎo)致材料的韌性降低，造成該現(xiàn)象的主要原因是纖維與基體的結(jié)合都雖然得到了極大的提升，但是殘存的能量卻無法通過二者之間的間隙消耗出去，能量過剩導(dǎo)致基體和纖維都受到破壞，從而導(dǎo)致材料韌性降低。為了改善該情況，專家在改性劑中添加了一些納米材料，其目的是通過納米材料的橫滑運動來消耗其中的剩余能量，從而使材料的韌性強度得到提升。因此，在開展該項工作時，必須根據(jù)對復(fù)合材料性能的實際需求來選擇科學(xué)合理的改性方法，將改性交過發(fā)揮到最佳。

4 發(fā)展展望

對碳纖維性能產(chǎn)生影響的因素非常多，纖維與基體之間的匹配程度、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制以及各項參數(shù)都可能對其性能產(chǎn)生影響。本文分析的幾種碳纖維改性方法的目的都是使纖維和基體能夠更加緊密的結(jié)合。碳纖維具有耐腐蝕以及強度高的特點，在經(jīng)過改性后，力學(xué)性能得到提高，與基體之間也能夠更加緊密的結(jié)合。改性技術(shù)有效的提高了碳纖維材料的強度，使其能夠應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，在未來必將受到廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

碳纖維改性能夠使纖維表面的活性得到極大的提高，使纖維和基體之間的結(jié)合強度得到增強，從而實現(xiàn)提高復(fù)合材料力學(xué)性能的目的。然而通過改性雖然能夠有效的提高某項力學(xué)性能，但是卻會對其他的性能產(chǎn)生一定的削弱。因此，在開展改性工作時，一定要結(jié)合自身的實際需求來開展操作，選擇合適或者采用多種改性方法結(jié)合的方式，將效果發(fā)揮到最大。

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作者簡介：

王罡（1988- ），男，漢族，黑龍江尚志人，碩士，主要研究方向：高性能碳纖維復(fù)合材料。