中圖分類號(hào)：TQ342+.742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0094-04

Abstract：Inorder to improve the performanceof carbon fiber composites forbasketballshoes，the surface modificationof carbon fibers was carriedout，and the effcts of NiOH modification timeon the wetting properties and mechanical properties of carbon fiber composites were investigated.The results showed that NiOH modified carbon fibers with good surface properties could be prepared by using urea as precipitant. When the medium was water and diiodomethane，the contact angle and surfaceenergyof the modified carbon fiber were lower and higher than that of theunmodifiedcarbon fiber，respectively，andthe longer thesurface modification time，thesmalerthe contact angle andthe greater the surface energy of the modified carbon fiber.The flexural strength Wq and flexural modulus of the modified carbon fiber composites were higher than those of the unmodified carbon fiber composites，and the longerthemodification time，the W mathbfq" and increased first and thendecreased，and the maximum value wasobtained when the modification time was ，and then the modification time of the carbon fiber was increased，and the Wm of the material decreased.The suitable time for modifying carbon fiber was ，and the modified carbon fiber composite had good Pand

Key Words ：basketball shoes ；carbon fiber； modified composites；interlayer shear strength ；bending performance

碳纖維復(fù)合材料由于具有強(qiáng)度高、耐熱性好、抗沖擊性能高、耐腐蝕性良好等特點(diǎn)[1-3]，在現(xiàn)代體育器械、籃球鞋、足球鞋等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料而言，其界面結(jié)合性是影響其最終力學(xué)性能的關(guān)鍵4，這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料的碳纖維與環(huán)氧樹脂等基體結(jié)合時(shí)的界面性能在受力過程中會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)[5]，如果碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面浸潤(rùn)性和結(jié)合力較差，則很難發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料中碳纖維的增強(qiáng)體作用[6]。最為可行的方法是對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理，通過改善原始碳纖維的表面狀態(tài)，來提高與與環(huán)氧樹脂的界面浸潤(rùn)性和結(jié)合力[79]。目前，碳纖維的表面改性方法主要有化學(xué)接枝法、物理沉積等，這些方法雖然可以有助于改善碳纖維的表面性能并提升復(fù)合材料的力學(xué)性能，但是存在工藝復(fù)雜、成本較高以及存在環(huán)境污染等缺點(diǎn)[10-13]?；诨@球鞋對(duì)纖維復(fù)材彎曲性能和層間剪切強(qiáng)度等性能要求的提高，嘗試采用一種在碳纖維表面原位生長(zhǎng)氫氧化鎳的方法改善碳纖維的表面狀態(tài)，并考察其對(duì)力學(xué)性能的影響，以期為籃球鞋用纖維復(fù)材設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料與設(shè)備

原材料主要包括：T300型碳纖維、雙酚A型環(huán)氧樹脂（環(huán)氧值0.50）、市售氫氧化鎳（NiOH）納米粒子、氫氧化鈉、尿素。

儀器設(shè)備包括：XTM-105SF-300T熱壓成型機(jī)、JSM-6800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡、D8ADVANCE型X射線衍射儀、QH6動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)定儀、MTS-809型萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試樣制備

采用化學(xué)浴的方法對(duì)原始碳纖維進(jìn)行表面改性（沉淀劑為氫氧化鈉和尿素），具體工藝為將碳纖維浸泡在沉淀劑中持續(xù) ，取出后用清水沖洗并吹干，然后浸入0.15L氫氧化鎳溶液中，88℃反應(yīng) 0～4h 后取出清洗吹干，得到氫氧化鎳改性碳纖維。其中，當(dāng)改性時(shí)間為xh，氫氧化鎳改性碳纖維簡(jiǎn)稱為NCFx，相應(yīng)的改性碳纖維復(fù)合材料為NCFEx，依次類推。將氫氧化鎳改性碳纖維與雙酚A型環(huán)氧樹脂置于成型模具中[14]，在XTM－105SF-300T 熱壓成型機(jī)上進(jìn)行熱壓，設(shè)置溫度為88℃、壓力為8MPa、熱壓時(shí)間為 60min ，固化完成后取出空冷至室溫，得到改性碳纖維復(fù)合材料，并采用切割機(jī)加工成被測(cè)試樣。

1.3 測(cè)試方法

表面形貌：JSM-6800型掃描電子顯微鏡觀察；物相分析：MiniFlex600X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試；接觸角（介質(zhì)為水和二碘甲烷）：QH6型動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)定儀測(cè)試；室溫層間剪切強(qiáng)度（ IISS，20mm×7mm× 2mm 和彎曲性能 100mm×12mm×2mm ：在MTS-809型萬能材料試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，結(jié)果都為6個(gè)平行試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌和物相組成

圖1為原始碳纖維和改性碳纖維的掃描電鏡顯微形貌。

由圖1可知，原始碳纖維表面可見縱向排布的原始加工溝槽；以NaOH為沉淀劑進(jìn)行改性處理后，改性碳纖維表面溝槽基本消失，可見較多的灰白色顆粒狀物質(zhì)覆蓋在碳纖維表面；對(duì)于以尿素為沉淀劑的改性碳纖維，表面可見針葉狀的氫氧化鎳附著。為了增強(qiáng)碳纖維表面附著力，選擇以尿素為沉淀劑制備的改性碳纖維可以獲得良好的表面性能，以便在后續(xù)制備碳纖維復(fù)合材料時(shí)有良好的界面結(jié)合力，并增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1原始碳纖維和改性碳纖維的掃描電鏡表面形貌

圖2為原始碳纖維和改性碳纖維的X射線衍射圖譜，分別列出了原始碳纖維（NCFO）、尿素為沉淀劑的氫氧化鎳改性碳纖維（Ni（OH） ）和Ni（OH）粉末的XRD圖譜。

由圖2可知，對(duì)于原始碳纖維（NCFO），XRD圖譜中可見 的（002）晶面的石墨衍射峰；對(duì)于 粉末，XRD圖譜中可見（001）、（100）、（101）（102）和（110）晶面的氫氧化鎳衍射峰；對(duì)于氫氧化鎳改性碳纖維（ ，XRD圖譜中可見氫氧化鎳和石墨衍射峰，這說明在氫氧化鎳改性碳纖維過程中，碳纖維表面已經(jīng)成功制備氫氧化鎳，且不會(huì)對(duì)碳纖維基體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[15]

2.2碳纖維的接觸角和表面能

表1為碳纖維在水和二碘甲烷中的接觸角和表面能測(cè)試結(jié)果。

接觸角和表面能分別低于和高于未改性碳纖維，表面改性時(shí)間越長(zhǎng)則在介質(zhì)中的接觸角越小、表面能越大。究其原因，主要與改性碳纖維表面附著了大量針葉狀的氫氧化鎳，增加了改性碳纖維的表面粗糙度，且改性時(shí)間越長(zhǎng)則表面氫氧化鎳附著量越大[16]，表面能增大的同時(shí)會(huì)降低在水中和在二碘甲烷中的接觸角。

2.3碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和彎曲性能

圖3為改性碳纖維的層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，分別列出了不同改性時(shí)間下碳纖維的層間剪切強(qiáng)度。

由圖3可知，對(duì)于未改性的原始碳纖維，其層間剪切強(qiáng)度約為 45.2MPa ；改性碳纖維的層間剪切強(qiáng)度都高于未改性碳纖維，且隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)，改性碳纖維的層間剪切強(qiáng)度先增后減，在碳纖維改性時(shí)間為 時(shí)碳纖維取得最大的層間剪切強(qiáng)度，之后繼續(xù)增加碳纖維的改性時(shí)間，改性碳纖維的層間剪切強(qiáng)度反而會(huì)降低。這主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)母男詴r(shí)間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時(shí)間過長(zhǎng)，氫氧化鎳會(huì)在局部產(chǎn)生聚集，而成為薄弱區(qū)域優(yōu)先發(fā)生開裂[17]，并降低改性碳纖維的層間剪切強(qiáng)度。

圖4為改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

由圖4可知，原始碳纖維復(fù)合材料的ILSS約為57.9MPa ；改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度都高于未改性碳纖維復(fù)合材料，且隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)，改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度先增后減，在改性時(shí)間為 時(shí)，碳纖維復(fù)合材料取得最大的層間剪切強(qiáng)度，之后繼續(xù)增加改性時(shí)間，改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度反而會(huì)降低。這主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)母男詴r(shí)間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時(shí)間過長(zhǎng)，氫氧化鎳會(huì)在局部產(chǎn)生聚集，團(tuán)聚區(qū)域?qū)⒊蔀楸∪鯀^(qū)域優(yōu)先發(fā)生開裂，并降低改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度[18]。因此，適宜的改性時(shí)間為 ，此時(shí)NCFE3具有良好的層間剪切強(qiáng)度，相較于未改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提升了約 60.7% 。

圖5為彎曲性能結(jié)果，分別列出了不同改性時(shí)間下碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度 和彎曲模量 。

由圖5可知，原始碳纖維復(fù)合材料的 和 分別為 596MPa 和 45.2GPa ；改性碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都高于未改性碳纖維復(fù)合材料，且改性碳纖維的改性時(shí)間越長(zhǎng)則 和 先增后減，最大值在改性時(shí)間為 3h 時(shí)取得，之后繼續(xù)增加碳纖維的改性時(shí)間，改性碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量反而會(huì)降低。這主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)母男詴r(shí)間有助于提高碳纖維表面氫氧化鎳的附著，但是如果改性時(shí)間過長(zhǎng)，氫氧化鎳會(huì)在局部產(chǎn)生聚集，團(tuán)聚區(qū)域?qū)⒊蔀楸∪鯀^(qū)域優(yōu)先發(fā)生開裂[19-20]并降低 和 。綜合考慮來看，對(duì)碳纖維進(jìn)行改性的適宜時(shí)間為 3h ，此時(shí)改性碳纖維復(fù)合材料具有良好的 和 。

3結(jié)語

（1）為了增強(qiáng)碳纖維表面附著力，選擇以尿素為沉淀劑制備的改性碳纖維可以獲得良好的表面性能；在氫氧化鎳改性碳纖維過程中，碳纖維表面已經(jīng)成功制備氫氧化鎳，且不會(huì)對(duì)碳纖維基體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；（2）在介質(zhì)為水和二碘甲烷時(shí)，改性碳纖維的接觸角和表面能分別低于和高于未改性碳纖維，表面改性時(shí)間越長(zhǎng)則改性碳纖維的接觸角越小、表面能越大；（3）改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度都高于未改性碳纖維復(fù)合材料，且隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)，改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度先增后減，在改性時(shí)間為 時(shí)碳纖維復(fù)合材料取得最大的層間剪切強(qiáng)度，之后繼續(xù)增加改性時(shí)間，改性碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度反而會(huì)降低；

（4）改性碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都高于未改性碳纖維復(fù)合材料，且改性時(shí)間越長(zhǎng)則 和 先增后減，最大值在改性時(shí)間為3h時(shí)取得；之后繼續(xù)增加改性時(shí)間，改性碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量反而會(huì)降低。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 冀琳.籃球鞋用合成革材料性能優(yōu)勢(shì)與生產(chǎn)工藝分析[J].粘接，2022，49（7）：53-56.

[2] 陳思魁，郭榮輝.碳纖維表面改性的研究進(jìn)展[J].紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，40（3）：94-100.

[3] 王剛，杜雷雷，繆自強(qiáng)，等.聚多巴胺改性碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的界面性能［J].材料研究學(xué)報(bào)，2023，37（3）：203-210.

[4] 王振彪，王琛琛，李剛，等.KH560對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料性能的影響[J].遼寧化工，2023，52（9）：1271-1274.

[5] 胡凱，楊瑩.建筑用碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)改性與性能研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2023，52（5）：103-105.

[6] 吳斌，鄭元杰，周佳豪，等.LNG儲(chǔ)罐用碳纖維的表面處理及其性能分析[J].粘接，2022，49（9）：68-72.

[7] 謝丁弈辰.體能訓(xùn)練器械引人改性碳纖維復(fù)合材料的性能測(cè)試研究[J].粘接，2023，50（3）：73-77.

[8] 李然，王利娟.碳纖維改性聚酰胺體育器械用復(fù)合材料的制備與性能研究[J].粘接，2021，45（3）：142-145.

[9] 王博侖，孟佳珩.真空成型體育器材用碳纖維增強(qiáng)PES樹脂材料力學(xué)性能研究［J].高科技纖維與應(yīng)用，2023，48（3）：71-75.

[10] 王振彪，王琛琛，李剛，等.KH560對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料性能的影響[J].遼寧化工，2023，52（9）：1271-1274.46（2） ：219-224.

[11] 舒禮偉，畢琿，郭增賢，等.碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料表面改性研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2023，51（8）：178-183.

[12] 黃立中.工業(yè)設(shè)計(jì)用碳纖維與環(huán)氧樹脂材料的接枝改性研究[J].粘接，2023，50（5）：65-68.

[13] 潘栩，祝詩洋，鐘業(yè)盛，等.硅改性酚醛/碳纖維復(fù)合材料的制備及燒蝕性能[J].材料工程，2023，51（6）：150-158.

[14] 焦曉嵐，鄧鑫，鄭玲，等.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能[J].塑料，2023，52（4）：32-36.

[15] 蔣武衡，王利莉，胡周.建筑暖通用碳纖維/聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的改性研究[J].粘接，2023，50（2）：57-60.

[16] 高淑君，李國輝.工程量清單計(jì)價(jià)模式下建筑碳纖維的優(yōu)化與性能研究[J].粘接，2022，49（3）：105-108.

[17] 胡貝利，劉俊逸，王婧茹，等.聚碳酸酯低聚物改性碳纖維及其增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的性能[J].高分子材料科學(xué)與工程，2023，39（5）：33-40.

[18] 嚴(yán)善林，李秀英，劉燕.低密度聚乙烯/碳纖維復(fù)合材料的制備以及性能研究[J].塑料科技，2023，51（5）：72-75.

[19] 鄧紫怡，趙新星，張建，等.聚丙烯腈-聚硅氮烷改性碳纖維的性能研究[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2023，38（2）：7-12.

[20] 張振，王萬杰，彭運(yùn)松，等.偶聯(lián)劑對(duì)碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合材料界面性能影響研究[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2023（4）：34-40.

（責(zé)任編輯：蘇慢）