碳纖維表面處理對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度影響

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1、碳纖維表面處理對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度影響　　【摘要】碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由碳纖維與樹脂基體共同組成，碳纖維與樹脂基體的表面結(jié)合直接影響到復(fù)合材料的性能。本文通過采用不同的碳纖維表面處理方法，對(duì)處理后的碳纖維表現(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)合材料的界面性能進(jìn)行研究，并用實(shí)驗(yàn)測試復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明，采用低電壓，短時(shí)間的電化學(xué)處理較濃硝酸氧化處理，對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果的影響更明顯?！娟P(guān)鍵詞】碳纖維表面處理界面性能抗彎強(qiáng)度1前言與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍

2、事、汽車、體育等領(lǐng)域。碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化和石墨化制成的纖維狀碳，它具有亂層石墨結(jié)構(gòu)，其密度僅為鋼密度的1/4，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，熱穩(wěn)定性，是一種高性能的先進(jìn)非金屬增強(qiáng)材料。盡管碳纖維性能優(yōu)異，但，由于其屬脆性材料，單獨(dú)使用，許多性能無法得到充分的發(fā)揮。只有與其它基體材料結(jié)合成復(fù)合材料，材料性能形成互補(bǔ)，才能有效發(fā)揮其優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，碳纖維在復(fù)合材料中被用作增強(qiáng)相。6用作復(fù)合材料的樹脂基可分為兩大類，一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)的高分子量聚合

3、物組成；成型時(shí)，在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，形成具有網(wǎng)狀交聯(lián)體結(jié)構(gòu)。常見的有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成，在溫度超過熔點(diǎn)時(shí)熔融，具有流變性，屬物理變化。常見的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯等。復(fù)合材料的界面由增強(qiáng)材料表面與基體材料表面相互作用形成的，它包含兩相之間的過渡區(qū)域，界面相內(nèi)的化學(xué)組成、分子排列、熱性能、力學(xué)性能呈連續(xù)梯度性變化。界面相的結(jié)構(gòu)由增強(qiáng)材料與基體材料表面的組成及二者之間的反應(yīng)性能決定的，因此纖維表現(xiàn)處理的結(jié)果將影響復(fù)合材料的性能。通過纖維表

4、面處理可以增強(qiáng)纖維表面的化學(xué)活性與物理活性，從而增加其與基體間的結(jié)合或粘結(jié)。目前，對(duì)纖維表面處理主要有空氣氧化法、液相氧化法、等離子體氧化法和電化學(xué)氧化法等方法。本文采用濃酸氧化處理、電化學(xué)處理方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，并利用SEM對(duì)比觀察了處理前后纖維表面的形貌，研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響。2實(shí)驗(yàn)方法及條件2.1碳纖維表面處理過程62.1.1濃硝酸氧化處理將一定長長的碳纖維置于濃硝酸溶液中，在室溫條件下分別處理30、60、90分鐘，然后經(jīng)自來水、純凈水清洗數(shù)遍，干燥，既得到表面處理后的碳纖維。2.1.2電化學(xué)表面處

5、理配制一定濃度的稀酸溶液作為電解液，將清洗過的碳纖維作為陽極，在電解槽內(nèi)進(jìn)行陽極氧化表面處理，通電電壓分別取1.2V、4.8V、10V和15V，處理時(shí)間為5min和10min，之后再經(jīng)清洗、干燥，得到表面處理后的碳纖維。2.2抗彎強(qiáng)度測試將表面處理的碳纖維與樹脂粘結(jié)，熱處理后，固定在沉積爐的兩個(gè)電極上，通電加熱至800～1100℃，沉積時(shí)間4～6h。將試樣加工成5mm×5mm×30mm，每組5個(gè)，采用三點(diǎn)彎曲法測試試樣的抗彎強(qiáng)度，取5個(gè)數(shù)值的平均值作為每組試樣的測試結(jié)果。3試驗(yàn)結(jié)果及討論3.1濃硝酸表面處理時(shí)間長短對(duì)復(fù)合材

6、料單向抗彎強(qiáng)度的影響6從表1中可以看出，碳纖維處理60分鐘后，所制備的復(fù)合材料強(qiáng)度增幅最大，30分鐘下，強(qiáng)度基本沒變，90分鐘強(qiáng)度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纖維表面的漿層，對(duì)纖維的強(qiáng)度沒有明顯的影響。復(fù)合材料強(qiáng)度的提高是因?yàn)楸砻鏉{層除去后，纖維表面的粗糙度增加，增加了快速升溫過程中熱解碳與纖維的親和力和粘結(jié)強(qiáng)度。3.2電化學(xué)處理對(duì)復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響碳纖維電化學(xué)處理過程易操作，（表2）為纖維表面電化學(xué)處理不同條件下單向復(fù)合材料的強(qiáng)度值，從處理結(jié)果可見，處理電壓和時(shí)間變化對(duì)制備的復(fù)合材料的抗彎性能影響較大。在電壓

7、4.8V、10min處理?xiàng)l件時(shí)，由處理纖維制備的復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比未處理的低3.6MPa，且電壓升高至10V時(shí)，復(fù)合材料抗彎性能進(jìn)一步惡化。（圖1）為不同處理碳纖維所制備的復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度變化曲線，從中可以得出，采取5分鐘處理，復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度變化均勻，基本呈線性降低，而10分鐘處理后，材料強(qiáng)度隨電壓增大降低幅度增大，這說明短時(shí)間電化學(xué)處理對(duì)纖維表面作用較溫和，且處理效果隨電壓的增大，10分鐘處理較5分鐘處理強(qiáng)度降低幅度較大。這是由于高壓長時(shí)間處理?xiàng)l件下，纖維表面破壞較嚴(yán)重，從而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。4結(jié)論6（1）

8、碳纖維表面經(jīng)濃硝酸處理后，表面漿層去除，溝槽進(jìn)一步加深加寬，表面粗糙度和比表面積增加，有利于復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度的提高。但處理時(shí)間過長，纖維表面出現(xiàn)不同程度的損傷，這對(duì)提高材料強(qiáng)度是不利的。（2）通過對(duì)纖維表面電化學(xué)處理的研究得知，采用低電壓，短時(shí)間的處理?xiàng)l件，對(duì)碳纖維表面較溫和，有效地提高了Cf/C復(fù)合