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千京高工解析非主流碳纤维表面处理方法

我国碳纤维虽然已应用于航空航天、文体器材、纺织机械、 医疗器械、土木建筑、电子工程、石油化工、环境保护、劳动保护、 原子能工程、汽车、冶金等行业之中,但使用的数量、应用的深度和广度与世界先进的国家和地区,特别是美国和日本相比较还有较大的差距。随着碳纤维的应用领域将不断增大,市场需求量也将进一步增加,发展前景将十分看好。碳纤维的表面处理则是提高其使用性能一个重要保证措施,因此加强碳纤维表面处理的研究就显得十分重要。



接前段时间一篇《复合材料用碳纤维的表面处理》,下面介绍几种非主流的碳纤维表面处理方法。

1) 空气氧化法:

碳纤维在 360℃的空气中开始缓慢氧化,随着温度的升高,氧化反应逐步激烈,最佳表面处理温度在 400℃左右。但是工艺条件十分苛刻,温度的波动若失控,将使碳纤维的拉伸强度急剧下降,但此法的特点是设备简单,成本低,无公害。 
如果在空气中加入一定量的 NO2 可降低热处理温度,表面处理的效果也 相当好。例如,在空气中加入9%的NO2,在 380℃处理 30s,可使ILSS由 79MPa提高到 118MPa。

2) 阴极还原法:

阴极还原法是以碳纤维为阴极、有机胺化物为电解质,通过控制碱性有机胺的浓度、电压、电流密度、通电时间和处理温度等取得最佳处理效果,处理结果使ILSS得到提高。

3) 氧化与洗涤相结合:

碳纤维经气相氧化(O3)或阳极电解氧化后,再用碱性有机溶剂浸渍与洗涤,可有效地除去碳纤维表面的沉积物和污染物,使ILSS和垂直纤维方向的拉伸强度得到提高。

4) 气相沉积与表面涂层:

在氢气气氛中加入硅有机物,在高温下可在碳纤维表面生成SiC晶须或者 SiC沉积物。生成的SiC晶须是三维形态,扩大了比表面积,增加了凹凸度,使 ILSS得到提高。碳纤维表面沉积SiC还可提高其抗氧化性能,也是目前提高碳纤维抗氧化能力的主要技术途径之一。
碳纤维表面涂覆聚铝氧烷,再高温热处理,则碳纤维表面生成氧化铝涂层,使其抗氧化性能得到提高,可与金属复合制取碳纤维增强金属基复合材料。

采用磁控溅射离子镀(MSIP)+磁控溅射(MS)镀膜方法在碳纤维表面真空镀铝法对碳纤维进行改性:MSIP+MS法溅射镀铝的碳纤维其室温强度与原始碳纤维无明显变化,其 AL/C两相结合良好﹑致密。用镀铝碳纤维制取金属基复合材料,要避免碳纤维高温下产生化学反应变质。

6) 辐射接枝法: 

用射线辐射接枝方法对粘胶基碳纤维进行表面改性,接枝溶液种类和吸收 剂量对接枝率和复合材料界面性能都会产生影响。在环氧/丙酮溶液体系是碳纤维辐射接枝改性的理想溶液,在此溶液中辐射,当吸收剂量大于 0.1KGY时,纤维表面的接枝率为4.2%,复合材料的ILSS提高了20%以上;在合适的吸收剂量下辐射可提高碳纤维的抗拉强度;接枝后纤维表面粗糙度明显增大,与树脂的机械锲合作用增强。随着辐射剂量的增加,碳纤维表面石墨微晶尺寸增大,但对碳纤维的晶型结构无影响。