基于电泳沉积法的碳纤维表面改性研究及应用进展

张 超

(新疆隆炬新材料有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

碳纤维的物理性能非常高，属于一种新兴材料，由于其本身在实际应用中所具有的一系列特性，因而被广泛的应用于航空、航天、运输等行业当中[1],发挥出了极其重要的优势，为这些行业的进步提供了强大的动力。通过一定的方式方法，将碳纤维与环氧树脂紧密的结合起来，可以形成拥有强大力学性能的复合材料。该材料强度高、质量低，应用于航空航天及军事国防等领域，可以全面提高这些行业的发展水平。碳纤维与环氧树脂的界面结合性，能对复合材料的最终性能产生决定性影响，因此有必要对其界面进行改良，进而使其性能得到有效保障。

环氧树脂以及碳纤维包含诸多结构，而界面是其重要的结构之一。通过其界面的合理处理使其良好的结合起来，可以使得相关载荷得到更好的传递，有效改进碳纤维环氧树脂的复合材料的力学性能[2-3]。然而，由于其实际制备特点，碳纤维的表面极性基团数量相对较少，很难进行一些化学反应，有着非常强大的化学惰性。这种情况使得碳纤维与环氧树脂之间的润湿性无法得到有效保障。进而使其界面的结合力相对较低[4]。通过一定的方式方法对碳纤维的表面进行有效处理可以使得碳纤维与环氧树脂基体之间的粘接强度得到有效保障，将碳纤维的增强作用充分的发挥出来，进而全面提高复合材料的应有性能。经过多年研究已经发展出了多种方式对碳纤维的表面性质进行有效改良，比如，氧化法、表面涂层法等一系列方式[5-6]。这些方法的应用虽然可以使得碳纤维与环氧树脂之间界面的粘接性能进一步提高，但是往往会在使用的过程当中对碳纤维的拉伸强度产生一定的破坏，进而使其力学性能大幅度下降。因此有必要探索出一种不会对碳纤维拉伸强度造成损害的改善其表面粘接性能的方式。最近几年相关学者进行了大量的研究后发现，氧化石墨烯以及碳纳米管作为碳纳米材料的有效代表将其应用于碳纤维的表面改性有着很大的可行性，因此成为了各国学者的研究重点所在。

1 碳纤维表面改性概述

相对于其他材料来说，氧化石墨烯，以及碳纳米管的比表面积非常庞大，且其表面还有数量极其庞大的极性基团[7]。将其引入到碳纤维的表面当中，不但可以使得碳纤维的比表面积得到大幅度增加，而且还能极大的提高碳纤维与环氧树脂的接触面积，进而使其基体之间的机械连锁作用进一步加强。除此之外，通过极性基团的大量加入，不但可以使得碳纤维的表面能得到大幅度增加，而且还可以使碳纤维与环氧树脂基体之间的润湿性得到有效保障[8]。有学者经过大量研究后发现，通过化学气相沉积等方式可以将氧化石墨烯以及碳纳米管等材料引入到碳纤维表面当中对其表面性质进行有效改良。通过化学气相沉积长期发作用的正常发挥可以使得碳纤维的性能得到全面提高，但是该种方法在实际应用的过程当中需要投入的经济成本过大，很难将其应用于工业的大规模生产当中。为此本文推荐选择电泳沉积法，该方法在使用中所需要投入的资金成本相对较低且生产效率非常高，可以有效减少对周边生态环境的污染，对于碳纤维表面改性工作而言有着非常重要的意义。

2 电泳沉积碳纳米材料

2.1 电泳沉积CNT

CNT是一种新型纳米材料，该材料在应用的过程当中有着非常优异的性能，其本身的比面积较一般材料大得多且电化学性能非常良好[9]。通过一定的方式方法将CNT引入到碳纤维表面上可以使得碳纤维表面的粗糙度得到大幅度增加，通过这样的方式可以使得碳纤维与环氧树脂在结合的过程当中，其表面的机械粘合能力全面加强。除此之外，经过处理之后的CNT表面活性基团数量较多，其在引入碳纤维之后可以使得碳纤维表面与环氧树脂基体，通过共价键的方式紧密的结合起来使得一些应力能够更好的传递下去[10-11]。CNT沉积于碳纤维表面，有诸多学者对其进行了研究。根据溶剂的区别可以将其进一步分为两大类型，分别是水溶剂以及醇溶剂。当利用水作为溶剂，将CNT沉积于碳纤维表面时最终的效果并不是特别好，需往往需要增加一些化合物对其进行辅助操作，只有这样才能使得碳纤维的力学性能得到有效改良。为此，有学者利用电泳沉积的方式将CNT沉积到碳纤维上，然后利用丙酮溶液对CNT进行氧化处理，最后利用混酸对碳纤维进行酸化预处理[12]。当利用水作为电泳液溶剂时，需要利用超声的方式对其处理 7 min 后才可以进行下一步的工作。当利用丙酮进行回流操作之后，碳纤维表面所覆盖的聚合物将会消失不见。如果对碳纤维表面进行细致观察的话，可以查看到碳纤维的表面会出现一些沟槽，这时通过对沉积的具体时间进行合理把控可以对CNT涂层的实际厚度进行合理改变。经过大量实验后发现，通过该方法的应用可以使得碳纤维与环氧树脂基层界面形成有效的过渡层，让复合材料的残余抗弯强度得到有效提高，使得复合材料的成品率大幅度增加，全面降低次品出现概率。值得注意的是，当沉积时间超过 7 min 之后会由于团聚效应使得界面性能产生一定程度的恶化[13]。

当利用醇作为溶剂时，将会使CNT沉积到碳纤维的表面当中。通过一定的仪器设备对其观察的话不难发现CNT的整体分布非常均匀，且其结构处于十分规整的状态当中。由此不难发现，利用醇做溶剂对CNT进行沉积可以全面提高复合材料的界面性能。有学者利用电泳沉积法将CNT沉积到碳纤维表面当中，在沉积时所采用的电压为 50 V，整体沉积时间为 15 min[14]。采用乙醇溶液作为电解液进行电泳沉积操作。通过与乙醇作用的正常发挥可以让CNT以均匀的姿态分散于碳纤维表面当中，全面提高碳纤维表面CNT的层次感。经过大量实验后发现，由于CNT的分布非常的均匀有序，因此不同分子的移动速率非常的快。可以快速沉积到碳纤维表面当中，全面提高复合材料的沉积强度。和未经过有效处理的碳纤维相比来说，处理之后的碳纤维抗拉伸强度提高了近1.4倍。

2.2 电泳沉积GO

GO属于一种新型材料,质量相对较轻且有着极大的拉伸强度，由此被广泛的应用于生物、航天等领域，成为了学者研究的重点内容之一。通过一定的方式方法将 GO沉积与碳纤维表面可以使得其与环氧树脂基体的接触面积大幅度提升，全面提高碳纤维与环氧树脂基体的机械咬合力。除此之外，由于GO表面存在着大量的极性基团，因此可以有效提高不同材料界面之间的强度。由于电泳沉积活动在实际进行的过程当中用到的悬浮液差别较大，因此使得携带的电荷区别很大。根据碳纤维电极的区别，可以进一步将该种沉积行为分为阴极电泳沉积GO以及阳极电泳沉积GOu[15]。加入硝酸镁、硝酸钙等化合物配置出一些具有带有正电荷的电解液使得沉积材料能够携带有正电性，并且将其沉积到带有负电荷的碳纤维表面当中。有学者利用GO电泳沉积法在碳纤维表面制备出了一层膜，并且将其作为防腐蚀涂层。全面提高复合材料的抗腐蚀性，电泳沉积将通过氢氧化钠等化合物配备出携带有负电荷的电溶液使得GO呈现出负电性，通过这样的方式可以使其更好的沉积在携带有正电荷的碳纤维表面。有学者利用电化学氧化与阳极电泳沉积结合的方式使得碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能得到充分加强，利用碳酸氢铵作为电解质溶液对碳纤维进行有效的电化学氧化处理并且加入氢氧化钠溶液使得GO能够携带有负电性。这时碳纤维作为正极，可以利用电泳沉积的方式对碳纤维表面进行处理。相比而言，处理后的碳纤维表面更为粗糙且含有诸多活性较高的含氧官能团。这时与GO表面氧化基团发生化学反应可以产生框架件，全面增强环氧树脂基体与碳纤维之间的界面结合性能，但复合材料的剪切强度提升效果并不是十分明显。

3 电泳沉积碳纳米材料的应用

3.1 电泳沉积CNT的应用

经过多年的发展，有学者首次从CNT当中检测到场致发光，其响应速度非常快，是传统白炽发射器的10倍以上，由于其优异性能可以用作制备高速CNT的必要原料。

第一，CNT-FET发射器。第1个CNT-FET发射器是在 S-SWCNT场效应的双极操作下产生的纳米管结构。该结构当中富含两种不同类型的载流子，分别是电子以及空穴。通过肖特基壁垒之后，可以将其注入到纳米管结构的衬底当中。后续通过栅极电压来实现双节操作，进而实现对发射体的EL测量活动。经过大量实验后发现在载流子以及声子散射活动开展时，载流子能量将会持续耗散，进而使得 EL光谱的频率不断变低。在这样的情况下实验人员可以通过改变其他参数来对长沟道中的EL点位置进行有效调节，以顶部三级的聚合物代替过去，常常使用的三级氧化物可以使得外部量子效率以及EL光谱得到明显变化，全面提高其实际使用性能。

第二，CNT p-n二极管发射器。对于CNTEL纳米发射器来说，为了提高其性能为其加入了p-n二极管结构。该结构可以通过施加反向的偏压使得三氧化二铝覆盖到 S-SWCNT不同区域的顶级店顶山电极上，进而实现静电掺杂产生不同结构的二极管结构。和FET结构相比，该结构在实际应用的过程当中可以显著降低能量的消耗，其阈值电流几乎处于0的状态当中。

2.2 电泳沉积GO的应用

电泳沉积GO复合材料主要被人们应用于超级电容器以及锂离子电池当中，将电泳沉积的GO作为电池主要有以下几项优势：首先，GO的导电性非常好且具有多孔结构，可以让电解质离子很好的穿透GO的空隙[16]。除此之外，GO与RGO的平面处于对齐状态，与碳黑等间隔物结合起来进行有效使用可以有效增加比表面积，全面提高层间的电导率，改善电池的表面积。

3 结束语

本文对当前国内外通过电泳沉积法对碳纤维表面沉积碳纳米管(CNT)以及氧化石墨烯(GO)的改性进行了分析。由于种种因素的影响，电泳沉积CNT改性碳纤维还存在着一些不足。为此文章对其进行了详细分析，并且深入探讨优化电泳沉积参数。在今后应当对GO与CNT的机理进行更加深入的分析，将电泳技术更多地应用到复合材料当中，进而改善碳纤维的复合材料的力学性能。