基于碳纤维改性的复合材料性能优化

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　　摘 要：碳纤维改性可以显著提高纤维表面活性与粗糙度，增加纤维与基体结合度，提升复合材料整体力学性能。目前碳纤维改性的手段有很多，较为常见的有氧化法、接枝法、表面沉积法、表面涂覆法等。这些方法原理不尽相同，但是都可以达到改善纤维与基体结合度的目的。本文将介绍常见的碳纤维改性方法，并分析其对复合材料性能的影响，为工程实践提供一定的指导。
　　关键词：碳纤维；改性方法；复合材料；力学性能
　　一、碳纤维改性意义
　　碳纤维作为一种高性能纤维，具有比强度高、比模量大、耐高温、耐腐蚀等优异特性，被广泛用于复合材料的增强体。但是碳纤维原丝表面较为光滑，缺少具有活性的官能团，所以使用未经任何处理的碳纤维制备复合材料，纤维无法与基体紧密地结合，基体上的负载也就不能有效地传递到纤维上，碳纤维的优异性能得不到充分的发挥，极大地限制了复合材料整体力学性能。这也就解释了碳纤维性能在不断提升，而复合材料整体性能却停滞不前这一现状。因此，对碳纤维表面进行改性，提升纤维与基体的结合度，充分发挥纤维的增强体作用，对提升复合材料性能具有重大的意义。
　　二、碳纤维改性方法
　　对碳纤维进行改性，提升碳纖维与树脂间结合力，主要从以下几个方面着手：刻蚀碳纤维表面，増大纤维比表面积；增加碳纤维表面活性基团含量；在碳纤维表面引进能与树脂基体形成交联化学反应的基团等。[1]目前常见的碳纤维改性方法有如下几种：
　　（一）氧化法
　　该方法使用氧化剂在一定条件下氧化碳纤维表面，引入活性基团，提高碳纤维表面活性。根据氧化条件的不同，可分为电化学阳极氧化法、气相氧化法和液相氧化法。
　　电化学阳极氧化法利用碳纤维的导电性质，以碳纤维为阳极，石墨板、不锈钢板等耐腐蚀导电材料为阴极，酸碱盐为电解液，在碳纤维表面发生阳极氧化。这一方法可以在碳纤维表面引入极性基团，增加其活性和粗糙度，提高碳纤维复合材料的界面结合度。
　　气相氧化法利用气体氧化剂，在一定温度、气压条件下，对碳纤维表面进行氧化，常用的气体氧化剂有空气、氧气和臭氧等。液相氧化法使用具有强氧化性的液体作为氧化剂，在一定条件下对碳纤维进行表面处理，常用的液体氧化剂有硫酸、硝酸、次氯酸、高锰酸钾等。这两种方法都可以显著地提高纤维表面活性基团含量，尤其是含氧官能团。[2]
　　（二）接枝法
　　在碳纤维表面产生具有活性的自由基，以这些自由基为反应点，接枝所需要的单体。根据采用方法的不同，可将接枝法细分为化学接枝法、辐射接枝法和等离子体接枝法。
　　化学接枝法采用化学手段使碳纤维表面产生自由基，具有接枝单体多样、聚合条件简单、反应条件温和等优点。辐射接枝法利用高能射线在碳纤维表面接枝单体或聚合物，无需催化剂，反应条件要求较低，且反应可控。等离子体接枝法使用等离子体在特定的环境氛围下轰击碳纤维表面，从而引入所需要的官能团；根据处理条件不同，可以将等离子接枝法分为高温和低温等离子体接枝法。
　　（三）表面沉积法
　　该方法在一定条件下，通过将特定的物质沉积附着在碳纤维表面，形成一层化学性质活跃的薄膜，提高纤维与基体的结合度。常见的表面沉积方法有气相沉积法、电沉积法和化学镀。
　　气相沉积法是将两种或两种以上的气体反应形成的新物质沉积到基材的表面。近年来，气相沉积法成为制备碳纳米管改性纤维的一种常用方式，通过该方法，碳纳米管可以直接在经过催化剂处理后的碳纤维表面生长。电沉积法是在碳纤维中通入电流，在电解液环境下发生电化学反应，从而在纤维表面形成镀层。化学镀原理与电沉积法相似，仅利用还原剂与溶液间的氧化还原反应就可在纤维表面形成镀层。这两种方法操作简单，工艺成熟，反应可控，目前都有较广的应用。
　　三、碳纤维改性对复合材料性能的影响
　　经过改性后的碳纤维，其与树脂间的结合度有显著的提高，复合材料层合板整体力学性能将有明显的变化。
　　改性后复合材料层合板的层间剪切强度明显提高，这是碳纤维与基体结合度提升的直接结果。其次是复合材料层合板面内性能的变化，由于部分碳纤维改性方法在改善碳纤维表面粗糙度、反应活性的同时，还会蚀刻碳纤维表面，造成碳纤维自身力学性能的下降，削弱了复合材料层合板拉伸和弯曲等面内性能。目前有学者在碳纤维上生长碳纳米管，该改性办法可以提升垂直于纤维方向上的力学性能，提高复合材料的层间断裂强度、压缩强度，一定程度上改善了层合板的面内性能。[3]
　　此外，传统碳纤维改性方法，会造成复合材料层合板的韧性下降，这主要是由于纤维与基体结合度加强，层合板中的能量无法通过纤维与基体间界面的滑移来消耗，导致基体与纤维瞬间破坏。目前有学者在改性剂中加入纳米材料，通过纳米颗粒的滑移来消耗一部分的能量，改善层合板的韧性，提高其抗冲击性能。
　　因此，实际工程中，提升复合材料不同的力学性能，需要选择不同的碳纤维改性方法，或者结合两种及两种以上的方法，[4]以达到最优的改性结果。
　　四、结语
　　碳纤维改性可以显著提升其表面活性与粗糙度，增加其与基体间的结合度，进而提高复合材料的整体性能。但是一种改性方法在显著提升某一力学性能的同时，对其他力学性能会有一定程度的削弱。因此，在实际工程中，结合自身需求，采用合适的改性方法，甚至多种改性方法结合，才能达到最优的效果。
　　参考文献：
　　[1]吴波.聚丙烯腈基碳纤维的表面修饰及复合性能研究[D].天津工业大学，2017.
　　[2]Andideh M，Esfandeh M.Statistical optimization of treatment conditions for the electrochemical oxidation of PAN-based carbon fiber by response surface methodology：Application to carbon fiber/epoxy composite[J].Composites Science & Technology，2016，134：132-143.
　　[3]张清杰.官能化碳纳米管/碳纤维多尺度增强环氧树脂基复合材料基础研究[D].北京化工大学，2016.
　　[4]钱水林.碳纤维表面处理技术探讨[J].合成纤维，2008（11）：17-19.
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