碳纖維表面研究及表面處理

碳纖維外表研究及外表處理1精品課件碳纖維簡介碳纖維的外表研究碳纖維外表處理的目的幾種碳纖維的外表處理方法2精品課件一、碳纖維簡介碳纖維：由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫〔1500℃〕碳化而成的纖維狀碳化合物，其含碳量在90%以上。碳纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、性能可設(shè)計等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于體育、醫(yī)療器材、航空、航天等領(lǐng)域。3精品課件碳纖維的結(jié)構(gòu)瀝青基石墨纖維端口，石墨片從芯部向外經(jīng)向輻射，纖維外表有較淺的溝槽

石墨的六方晶體結(jié)構(gòu)

理想的石墨點陣屬六方晶系，真實的碳纖維結(jié)構(gòu)屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。4精品課件碳纖維復(fù)合材料的性能由纖維、基體和界面層三個主要組成局部決定。a.碳纖維是增強(qiáng)體，為主要的承力結(jié)構(gòu)。b.樹脂基體可以傳遞和承受剪切應(yīng)力，保護(hù)纖維不受損傷和腐蝕。c.界面是增強(qiáng)相和基體相的中間相,是增強(qiáng)相和基體相連接的橋梁,也是應(yīng)力及其他信息的傳遞者。

因此如何提高復(fù)合材料各組份間結(jié)合性,充分利用界面效應(yīng)的優(yōu)越性能,一直是復(fù)合材料領(lǐng)域重點研究課題之一。5精品課件二、碳纖維的外表研究碳纖維外表有很多孔隙、凹槽、雜質(zhì)及結(jié)晶等，主要由碳和少量的氮、氧、氫等元素組成。〔PAN碳纖維中的碳含量約95%，石墨纖維碳含量達(dá)99%以上〕

碳纖維外表只含碳、氫、氧元素，未經(jīng)外表處理的碳纖維外表約含有16.5%羥基、3.4%羰基，由于極性基團(tuán)的含量很少，不利于其與基體樹脂的粘結(jié)。碳纖維SEM形貌復(fù)合材料界面相6精品課件三、碳纖維外表處理的目的提高碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度第一，防止弱界面層〔Weakboundarylayer〕的生成。a.所吸附的雜質(zhì)、脫模劑等；b.界面層老化時形成的氧化層、水合物層等；c.與基體的不充分浸潤而所束縛的空氣層等。第二，產(chǎn)生適合于粘結(jié)的外表形態(tài)。增加外表粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機(jī)械嵌合,增強(qiáng)錨錠效應(yīng)。第三，改善樹脂和增強(qiáng)材料的親和力。引進(jìn)具有極性或反響性官能團(tuán)，及能與樹脂起作用的中間層，如—COOH，—NH2，—OH等。7精品課件四、碳纖維外表處理方法沉積更活潑的碳和其他物質(zhì)引入極性基團(tuán)并消除弱界面層8精品課件碳纖維外表處理后層間剪切強(qiáng)度(ILSS)的提高情況

9精品課件等離子處理等離子體：隨著物質(zhì)能量的增加，物質(zhì)的狀態(tài)將發(fā)生由固→液→汽的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步增加氣體能量，那么氣體原子中的電子可以脫離原子而成為自由電子，原子成為正離子，這種含電子、正離子和中性粒子的混合體，稱為等離子體。等離子體法主要是通過等離子體撞擊碳纖維外表，從而刻蝕碳纖維表層，使其外表的粗糙度增加，外表積也相應(yīng)增加。由于等離子體粒子一般具有幾個到幾十個電子伏特的能量，使得碳纖維外表發(fā)生自由基反響，并引入含氧極性基團(tuán)。

等離子體處理的效果洗凈外表使碳纖維外表的溝槽加深，粗糙度增加在纖維的外表產(chǎn)生一些活性基團(tuán)，如－COOH，－COO－，－OH，－C＝O等10精品課件等離子體處理對碳纖維外表性質(zhì)的影響

隨著等離子體處理時間的增加，碳纖維外表-C-C-結(jié)構(gòu)的含量表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，而最終恒定在45%左右；同時，其外表極性基團(tuán)的含量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，在不同處理時間下其外表的-C-N-、-C-O-、-C=O、-O-C=O等基團(tuán)的含量均比未處理時要高，進(jìn)而使纖維與基體的界面形成牢固的化學(xué)結(jié)合力。a.等離子體處理時間對碳纖維外表元素組成的影響不同處理時間下碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析11精品課件b.等離子體處理對纖維外表形貌的影響由原子力顯微鏡照片可見，未經(jīng)等離子體處理的碳纖維外表較為光滑，纖維外表僅有少量較淺的溝槽；經(jīng)過等離子體處理后，碳纖維外表的溝槽數(shù)量增加，并且溝槽的深度變深，增加了纖維外表與樹脂基體的接觸面積，有利于提高復(fù)合材料界面的粘結(jié)性能。未處理碳纖維外表的AFM照片經(jīng)等離子體處理后碳纖維外表的AFM照片12精品課件等離子體處理對復(fù)合材料層間剪切破壞斷面的SEM分析未經(jīng)等離子體處理等離子處理后未經(jīng)等離子體處理的碳纖維復(fù)合材料斷口中，纖維與基體樹脂間存在明顯縫隙，纖維外表粘有的樹脂較少，外表較為光潔，破壞多發(fā)生在界面上。經(jīng)過等離子體處理后的碳纖維復(fù)合材料經(jīng)層間剪切破壞后，纖維與樹脂基體間結(jié)合緊密，纖維外表粘附的樹脂較多，而且纖維被樹脂緊密地包裹住，說明纖維外表與樹脂基體的粘結(jié)性較好，破壞較少發(fā)生在界面上而是發(fā)生在樹脂基體和纖維本體中。13精品課件等離子體處理的優(yōu)點：a.可以在低溫下進(jìn)行,防止了高溫對纖維的損傷；b.處理時間短,幾秒鐘就能獲得所需要的效果；c.經(jīng)改性的外表厚度薄，可到達(dá)幾微米，因此可以做到使材料外表性質(zhì)發(fā)生較大變化，而本體相的性質(zhì)根本保持不變。14精品課件氣相氧化法通過氧化纖維外表，從而引入極性基團(tuán)，并給予適宜的粗糙度，來提高復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。介質(zhì)：熱空氣或其中混合了一定量的空氣、O2、O3、CO2、CO、SO2、水蒸氣等氣體的混合氣體。處理溫度：一般400-600℃。反響時間：根據(jù)碳纖維的種類和所需氧化程度而定。15精品課件石墨纖維的外表處理優(yōu)點：設(shè)備簡單，反響時間短，容易和CF生產(chǎn)線銜接起來，無污染，可連續(xù)處理。缺點：反響較難控制，易使纖維縱深氧化，使CF拉伸強(qiáng)度損傷大。處理時應(yīng)防止過度氧化16精品課件液相氧化處理常用的處理方法之一，主要是去掉碳纖維外表的弱界面層WBL，引入各種極性官能團(tuán)而提高復(fù)合材料的界面粘接性能。最常用的氧化劑：硝酸用硝酸氧化碳