简述碳纤维的表面处理技术

碳纤维性能优异，但是却很难单独使用，必须要作为先进复合材料的增强体使用，但是碳纤维经过高温碳化制备得到，在碳化处理过程中非碳元素逐渐逸出，惰性碳元素富集，导致碳纤维表面呈现较高的化学惰性，因此必须要对碳纤维表面进行改性处理。

碳纤维表面处理的分类及成效

碳纤维表面处理主要分成两大类，氧化处理和非氧化处理，其中氧化处理又可以分为液相氧化、电化学氧化、臭氧氧化等，而非氧化处理主要是包括涂层处理、热沉积等等，在众多改性过程中，电化学氧化处理过程最为缓和，易于控制，而且也是目前唯一实现在线配套的改性方法。

碳纤维经过表面改性处理后微观物理化学结构会发生明显变化，而且有利于碳纤维增强复合材料界面结合强度的提升，一方面碳纤维表面粗糙度增加，会增加基体与碳纤维间物理嵌合作用；另一方面，碳纤维经过表面改性后会产生-OH、-COOH等大量含氧活性基团，在制备复合材料时有助于提升碳纤维与基体间的化学键合作用。经过表面处理后，碳纤维增强复合材料界面结合强度会出现大幅度提升。

碳纤维几种表面处理方法

1、液相氧化法

以氧化性溶液对碳纤维表面进行氧化处理，影响氧化效果主要因素包括：溶液浓度、氧化时间、处理温度等。

图1为在110℃温度下使用硝酸对碳纤维表面进行液相氧化，处理时间30-180分钟，从图中可以看出，随着处理时间的增加，纤维表面的粗糙度增加。但是，由于氧化时间较长，纤维表面发生严重刻蚀，致使纤维力学性能下降明显，经过三小时氧化后纤维力学性能下降了近40％。

图1 碳纤维液相氧化表面处理，（a）未处理，（b-f）氧化时间分别为30、60、90、120、180min

2、等离子体处理

等离子处理是在等离子发生装置进行的，常用的等离子体包括空气、氧气、臭氧的氧化性气氛，在对碳纤维表面活性基团有特殊要求场合下，也可以采用氮气等气体，增加纤维表面含氮官能团。

等离子体处理对装置要求较高，而且处理过程中浓度等因素难以控制，因此只适合于实验室研究，图2为采用氧气等离子处理前后碳纤维表面结构图。

图2 碳纤维等离子体处理

3、辐照处理

在该改性方法中通过将碳纤维暴露在γ射线或激光射线下，通过增加碳纤维表面粗糙度实现改性处理。经过辐照处理后碳纤维表面粗糙度大幅增加，有利于树脂基体对纤维表面的机械嵌合。

通过将碳纤维织物置于不同剂量的放射源下进行改性处理，如图3所示，结果显示：随着剂量从0-300kGy的增加，纤维表面的粗糙度增加，利用拉曼光谱证实了改性处理后纤维表面无序化程度ID/IG有所增加。经过改性处理后，复合材料层间剪切强度最高提升了60％。

图3 碳纤维表面的辐照改性处理

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