孔云臻

摘 要：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能，在軍用和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比于常規(guī)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱“CFRHPTP”）具有耐熱性高、耐腐蝕性好、高強(qiáng)度、高韌性、可回收再利用等優(yōu)勢(shì)，在軌道交通、航天航空、國(guó)防軍工等尖端前沿科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于CFRHPTP，高性能熱塑性樹(shù)脂作為連續(xù)相，碳纖維作為增強(qiáng)相，相互之間通過(guò)界面層結(jié)合。界面相作為纖維與樹(shù)脂間應(yīng)力傳遞的紐帶，直接影響到內(nèi)部應(yīng)力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制對(duì)復(fù)合材料整體性能起著決定性作用。

關(guān)鍵詞：碳纖維;高性能;熱塑性復(fù)合材料;界面改性

我國(guó)在CFRHPTP界面改性方面的研究大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚不能滿足我國(guó)航空、航天、國(guó)防等高端領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，有必要在該領(lǐng)域繼續(xù)開(kāi)展深入研究，開(kāi)發(fā)新的界面改性技術(shù)，以解決CFRHPTP棘手的界面問(wèn)題，滿足我國(guó)尖端技術(shù)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料的迫切需求。筆者認(rèn)為，上漿劑改性法是有大規(guī)模應(yīng)用潛力的改性方法，新型熱塑性上漿劑的開(kāi)發(fā)值得重點(diǎn)關(guān)注。

1 氧化法

碳纖維的結(jié)構(gòu)單元是六角網(wǎng)平面，邊緣不飽和碳原子、缺陷周圍碳原子的活性高，容易被強(qiáng)氧化劑氧化，在碳纖維表面引入羥基（-OH）、羰基（-CO）和羧基（-COOH）等含氧官能團(tuán)，可以增加碳纖維的表面化學(xué)活性、表面能，提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能。根據(jù)氧化介質(zhì)的不同，氧化處理方法可分為液相氧化法、電化學(xué)氧化法、氣相氧化法等。Wang等以硝酸為電解質(zhì)，對(duì)碳纖維進(jìn)行了電氧化處理，并采用XPS研究了在聚醚醚酮（PEKK）樹(shù)脂與氧化碳纖維之間的界面相互作用。XPS分析顯示，經(jīng)氧化處理后，碳纖維表面引入的“氫橋結(jié)構(gòu)”可與PEKK表面的羰基形成化學(xué)成鍵，而且復(fù)合材料的最終性能與CF/PEKK界面反應(yīng)的程度緊密相關(guān)。氧化法工藝較為簡(jiǎn)單，能有效刻蝕碳纖維表面并引入化學(xué)活性基團(tuán)，從而提高復(fù)合材料的界面性能。但如何控制氧化程度，防止過(guò)度氧化造成碳纖維本身機(jī)械性能下降是值得關(guān)注的問(wèn)題。陽(yáng)極氧化法氧化過(guò)程較為緩和均勻，且易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)配套生產(chǎn)，是目前碳纖維工業(yè)普遍采用的表面處理方法。而采用其他液態(tài)強(qiáng)氧化劑的氧化方法，多為間歇式處理，不適用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的小批量氧化處理。相關(guān)學(xué)者研究了常壓等離子體改性對(duì)碳纖維/聚酰亞胺（CF/PI）復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，等離子體改性裝置原理如圖1所示。結(jié)果表明，He/O2常壓等離子體改性處理在碳纖維表面引入了大量含氧官能團(tuán)，并顯著增加了碳纖維表面能和粗糙度，增加了樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性以及界面區(qū)域的機(jī)械嚙合作用，使得CF/PI的界面剪切強(qiáng)度提高了21%。

2 等離子體處理法

等離子體是指正負(fù)電荷的數(shù)量或密度基本相等而形成宏觀電中性的物質(zhì)集合體，等離子體處理法即使用等離子體撞擊碳纖維表面，從而對(duì)碳纖維表面進(jìn)行刻蝕，使碳纖維表面的粗糙度和比表面積增加。此外，由于等離子體粒子一般具有幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特的能量[1]，撞擊在碳纖。維表面可能引發(fā)自由基反應(yīng)，從而可以在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)。等離子體表面處理雖然可以有效改善復(fù)合材料的界面性能，但過(guò)度的等離子體處理會(huì)降低碳纖維自身的拉伸強(qiáng)度。因此，等離子體改性需要嚴(yán)格控制處理?xiàng)l件，在不犧牲纖維自身力學(xué)性能的基礎(chǔ)上增強(qiáng)界面性能。

3 納米粒子改性法

在碳纖維表面引入納米增強(qiáng)顆粒，構(gòu)筑微納多尺度雜化碳纖維增強(qiáng)體，能夠有效提高碳纖維表面的粗糙度，加強(qiáng)樹(shù)脂基體與碳纖維之間的機(jī)械嚙合作用，是提高CFRHPTP界面性能的有效方法。碳納米管（CNT）作為一種有著優(yōu)異機(jī)械性能、良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的納米增強(qiáng)材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了復(fù)合材料改性當(dāng)中。將CNT引入碳纖維表面是一種能改善碳纖維與樹(shù)脂基體界面性能的有效方法。Park等通過(guò)電泳法將多壁碳納米管（MWCNTs）沉積在碳纖維表面，并將這種MWCNTs改性的多尺度雜化碳纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，改善了碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料的界面性能和電學(xué)性能。

4 結(jié)論

界面是碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)，是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。復(fù)合材料界面改性研究一直備受重視。本文總結(jié)了碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料界面性能的影響因素，并重點(diǎn)介紹了碳纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料界面改性的原理和方法[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾漢民，張志毅.結(jié)晶性高聚物基體復(fù)合材料的界面結(jié)晶效應(yīng)[J].材料工程，2018（1）：6-10.

[2]林志勇，曾漢民.熱塑性碳纖維復(fù)合材料界面研究[J].高分子通報(bào)，2017（5）：56-61.