探讨基于碳纤维改性的复合材料性能优化

摘 要：碳纤维改性能够使纤维表面的活性得到极大的提高，使纤维和基体之间的结合强度得到增强，从而实现提高复合材料力学性能的目的。经过多年的发展以及专业人士的不懈努力，碳纤维改性已经衍生出了多种方法，目前使用较为广泛的有氧化法、接枝法、表面沉积法，虽然方法众多，然而目的都是改善纤维与基体的结合度，提高复合材料的力学性能。本文详细分析了几种应用较为广泛的改性方法，希望能够对有关人员有所帮助。

关键词：力学性能;复合材料;碳纤维改性

0 引言

碳纤维复合材料因其可塑性强、耐腐蚀等优势，被广泛应用于航空轨道交通以及医疗等领域。但是碳纤维复合材料也存在较为明显的缺陷，由于基体的原因，导致其耐高温能力较差，韧性也不够强。也正是由于这些因素，导致碳纤维复合材料的发展受到限制，无法应用于更多的领域。因此碳纤维复合材料的改性十分必要，这也是决定碳纤维复合材料是否能够得到广泛应用的关键。

1 碳纤维改性的重要意义

碳纤维是一种含碳量极高的纤维，因其具有强度高、耐高温、经腐蚀的特性，在各个领域受到了广泛的应用。但是由于碳纤维原丝的表面非常光滑，并且缺少活性官能团，碳纤维表面也具有很强的惰性，所以在使用一些普通的纤维材料时，会出现纤维与基体结合不紧密的情况，导致基体的负载也无法传递到纤维上，纤维的功能也就无法充分发挥，使复合材料的力学性能受到了严重的影响。这也是碳纤维性能发展远远超过复合材料性能的主要原因。为了解决该问题，实现碳纤维性能与复合材料性能的共同发展，就必须对碳纤维表面进行改性，提升纤维与基体之间的结合度，充分的发挥出纤维的作用，從而有效的提升材料的性能。

2 碳纤维的改性方法

为了使碳纤维与基体之间能够紧密的结合，就必须从增强纤维表面活性、使纤维表面产生自由基等方式来开展。目前常见的手法有以下几种。

2.1 氧化法

氧化法指的是在合适的条件下通过氧化剂的方式来氧化纤维表面，通过氧化反应，纤维表面会产生活性基团，使碳纤维表面富含活性。根据氧化材料以及方式的不同，大致可以将氧化法分为三种，即电化学氧化、气相氧化以及液相氧化。电化学氧化的原理是利用碳纤维具有导电的性质，将其作为该反应的阳极，将一些耐腐蚀、强度高的材料作为阴极，如不锈钢材料等。该方法能够通过电解产生的活性氧使碳纤维表面充斥活性基团，从而提升纤维表面的活性以及粗糙度，提高其力学性能，使碳纤维能够与基体进行更加紧密的结合。而气相氧化法是通过独特的氧化剂，在一定条件下，对碳纤维的表面实施专业的氧化处理。如今应用较为广泛的气体氧化剂有O2、O3等。液相氧化是采用一些具有很强氧化性的液体来对碳纤维的表面实施专业处理。应用较为广泛的液体氧化剂有H2SO4、HNO3、KMON4等。

2.2 接枝法

化学接枝法是采用一些专业的化学手段碳纤维表面产生自由基，然后再引发单体等在纤维表面聚合从而达到改性的目的，在进行操作时可以根据实际需要来选择接枝单体或者是聚合条件，该方法具有接枝单体多样，聚合条件简单，实施过程温和等特点，然而该方法碳纤维表面活性基团分布比较混乱，导致接枝点不均匀，过程以及结果都难以控制。而辐射接枝法则是利用高能射线在碳纤维表面接枝单体或是一些聚合物，该方法不需要其余的催化剂和引发剂，在常温下即可发生反应，产生反应的要求也比较低，整个过程都在可操控范围内。而等离子接枝法是在一定条件下引入等离子体冲击纤维的表层，并且引入官能团。根据实施环境的不同，大致可以将其分为高温等离子接枝法和低温等离子接枝法，该方法效率高、速度快，而且无污染。

2.3 表面沉积法

表面沉积法指的是在特定条件下，采用专业手法在碳纤维表面沉积一些特殊物质，从而产生一层特殊的薄膜。并以此达到提升基体与纤维之间的结合度的目的。目前应用较为广泛的沉积法有气相沉积法、电沉积法以及化学镀。

气相沉积法指的是在碳纤维中加入活性炭，从而达到提高材料性能的目的。电沉积法是通过引入直流电进入电解质溶液中，进而从通过电化学反应在溶液中得到金属层，该操作手法发展较为成熟，通过该方法取得的金属层厚度比化学镀厚，从而具有成本低和使用期长的优势。化学镀别名无电电沉积，其操作手法与电沉积法十分相像，是通过还原剂与溶液之间产生的氧化还原反应在碳纤维表面形成镀层。采用该方法所获得的镀层较为均匀，并且空隙很小，但是镀液使用成本较高，并且使用周期很短，效率也较为低下。

2.4 表面电聚合

表面电聚合是近年来诞生的新型改性技术，其改性方法是在通过电场的特性来让碳纤维发生反应，产生聚合物，并且形成涂层。与此同时引入活性基团，提高纤维与基体之间的结合度。在一定条件下，在碳纤维的表面聚合吡咯，当完成反应后，碳纤维的表面性能能够得到显著提升，从而使纤维与基体的浸润性得到提高，由此可见表面电聚合改性对提升碳纤维力学性能的重要作用。

3 碳纤维改性的重要性

经过改性后，基体的负载能够顺利的传导到纤维材料中，复合材料的剪切强度得到了明显的提升，主要原因还是因为碳纤维与基体的融合度得到了提升。然而虽然碳纤维改性具有巨大的优势，能有有效的提升表面粗糙度和活性，但是却会刻蚀碳纤维表面，导致碳纤维的其余性能受到影响，出现顾此失彼的情况。为了改善该情况，专业人员使用专业技术来提升碳纤维垂直方向的力学性能。以往的碳纤维改性会导致材料的韧性降低，造成该现象的主要原因是纤维与基体的结合都虽然得到了极大的提升，但是残存的能量却无法通过二者之间的间隙消耗出去，能量过剩导致基体和纤维都受到破坏，从而导致材料韧性降低。为了改善该情况，专家在改性剂中添加了一些纳米材料，其目的是通过纳米材料的横滑运动来消耗其中的剩余能量，从而使材料的韧性强度得到提升。因此，在开展该项工作时，必须根据对复合材料性能的实际需求来选择科学合理的改性方法，将改性交过发挥到最佳。

4 发展展望

对碳纤维性能产生影响的因素非常多，纤维与基体之间的匹配程度、生产过程中的质量控制以及各项参数都可能对其性能产生影响。本文分析的几种碳纤维改性方法的目的都是使纤维和基体能够更加紧密的结合。碳纤维具有耐腐蚀以及强度高的特点，在经过改性后，力学性能得到提高，与基体之间也能够更加紧密的结合。改性技术有效的提高了碳纤维材料的强度，使其能够应用于更多的领域，在未来必将受到广泛的应用。

5 结束语

碳纤维改性能够使纤维表面的活性得到极大的提高，使纤维和基体之间的结合强度得到增强，从而实现提高复合材料力学性能的目的。然而通过改性虽然能够有效的提高某项力学性能，但是却会对其他的性能产生一定的削弱。因此，在开展改性工作时，一定要结合自身的实际需求来开展操作，选择合适或者采用多种改性方法结合的方式，将效果发挥到最大。

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作者简介：

王罡（1988- ），男，汉族，黑龙江尚志人，硕士，主要研究方向：高性能碳纤维复合材料。