碳纤维表面改性(总6页)
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碳纤维表面处理研究现状
碳纤维表面处理研究现状
摘要：综述了碳纤维的应用领域，当前国内外的碳纤维的生产状况，分析了各种碳
纤维表面处理的研究现状以及各方法的优缺点。分析结果表明：国外对我国碳纤维生产进行了技术封锁，我国工业化碳纤维生产与日本等国有较大差距。电化学氧化法对碳纤维表面处理效果较好，处理后碳纤维表面活性基团数量明显增多，生产条件易于控制，该方法很好应用于工业生产。
关键词：碳纤维；表面处理；电化学氧化法；
引言
随着国防科技要求的不断提高，航天航空、军事武器等高科技设备对材料的性能要求的提高，碳纤维复合材料以其耐高温，耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、高比强度等特点被广泛的应用于这些领域。国外碳纤维材料生产研发较早，现今以日本，美国等国家的生产技术领先于世界。
碳纤维按其加工的先驱体不同可以分为：粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基（PAN）碳纤维。碳纤维作为一种增强相与金属、陶瓷、树脂等结合使复合材料的性能得到很大提高。碳纤维表面的活性基团较少，表面光滑，为更好的与基体材料结合，需要在材料复合前对纤维进行一定表面处理。碳纤维表面处理按当前的研究现状可以分为氧化法和非氧化法。在此对纤维的生产状况做出一些介绍以及纤维表面处理的各种方法做比较。
1 碳纤维应用领域及国内外生产状况
碳纤维复合材料具有卓越的物化性能，被广泛应用于航天航空、国防军事、体育用品、风能发电、石油开采以及医疗器械[1]。
碳纤维被用于制造飞机、航天器、卫星等，因碳纤维的轻质、高强度等特点，飞行器的噪音小，飞行所需的燃料消耗降低。据有关报道，飞行器每降低1kg的质量，运载飞行器的火箭可以减轻500kg。航天航空领域碳纤维的使用量从2008年的8200t，到2010年的1万t，预计今年将达到万t。在飞机的制造中，纤维复合材料应用比例都明显的增加。空客A380其中的35t结构材料中，碳纤维复合材料占10%，波音公司生产的波音787，碳纤维和玻璃纤维在结构材料的50%，增加的飞机飞行的经济性以及长时间续航能力。
风能是一种新时代的清洁能源，丹麦最大风力发电机组生产商维斯塔斯预测到2020年，风电将达到世界电量消耗的10%。作为风力发电的风叶必须具有高强、轻质等特点。碳纤维在风叶中的应用主要是大丝束（24K）的纤维。世界对清洁能源的需求致使纤维的需求量不断的在提高。开发低价格，高模量的纤维是一种纤维发展的趋势。
碳纤维的生产技术处于领先地位的是日本和美国[2]。碳纤维生产的三大巨头公司都来至于日本，包括东丽、东邦、三菱人造丝公司。其中东丽公司是波音公司唯一指定的碳纤维供应商。随着碳纤维需求量的增加，三大公司也投入的大量资金扩
大生产。其中对于PAN纤维的生产，三大公司份额占到了70%。其生产核心技术严格保密。
2 碳纤维表面处理技术
碳纤维表面的改性主要目的是增加碳纤维表面活性基团，增加碳纤维的润湿性，以及纤维表面的粗糙度，从而增加碳纤维与基体材料的契合强度。碳纤维表面处理的方法可以分为氧化法和非氧化法，氧化法包括：气相氧化法，液相氧化法，电化学氧化法。非氧化法包括：气相沉积法，电聚合法，涂层法，等离子体法，晶须生长法[3]。
气相氧化法
气相氧化法是指将碳纤维置于氧化性气体氛围中，从而将碳纤维表面氧化，形成大量的活性基团以及表面粗糙度等，增强了碳纤维与基体材料的结合强度。气相氧化使用的气体介质一般在热空气中混合氧气或含氧气体，处理温度一般在350-600℃。冀克俭等[4]研究了臭氧处理碳纤维表面及其复合材料性能的影响，结果表明：采用在线表面O3氧化处理方法对碳纤维进行了表面处理，增加了碳纤维表面上羟基和醚基官能团含量。碳纤维经过O3表面处理后明显改善了碳纤维与环氧树脂基体间的界面粘结，使层间剪切强度大约提高了35%。气相氧化法虽然应用比较方便，处理时间短，能很好的与碳纤维生产线联合，但气相氧化法反应太剧烈，反应精度不易控制，所以较少用于工业生产。
液相氧化法
液相氧化法是将碳纤维浸渍到一定的氧化性液体中，氧化性液体将碳纤维表面进行刻蚀，形成粗糙表面，增加表面积。同时氧化作用增加了碳纤维表面的羰基、羧基及酸性基团。液相氧化法使用的氧化性液体包括：高锰酸钾、硝酸等氧化性试剂。杜慷慨[5]等使用硝酸溶液对碳纤维进行氧化，研究表面：碳纤维表面的羧基等氧化性基团随着氧化温度的升高和时间的延长而增多，当温度超过100℃和氧化时间超过2h，虽然含氧基团增加明显，但是碳纤维复合材料的性能明显下降。液相氧化法较气相氧化法比较，反应强度容易控制，效果也较液相氧化法好。但液相氧化法需要大量使用强酸强碱，对工业设备腐蚀很大，很少用于工业生产。
电化学氧化法
电化学氧化法也称阳极电解氧化法。该法以碳纤维作为阳极，石墨电极作为阴极浸在电解质溶液中，电解液中的含氧阴离子在电场作用下向碳纤维移动，并在碳纤维表面放电发生氧化反应，从而使碳纤维表面生成羰基、羧基、羟基等氧化官能团，同时碳纤维表面也受到一定的刻蚀，产生了孔洞和沟槽，形成了一定的粗糙度，进而增加了碳纤维复合材料的强度。郭云霞[6]等采用电化学氧化法对聚丙烯腈（PAN）碳纤维进行表面处理，处理后的纤维表面沟槽加深，粗糙度增加，明显的增加了基体与碳纤维的咬合固定。电化学氧化法反应比较缓和，处理时间短，能很好的与碳纤维生产流水线衔接，而且通过控制反应的电解温度、电解质浓度、电流密度等工艺条件实现对氧化程度的精确控制，实现均匀氧化。电化学氧化法是目前最有实用价值的方法之一。
气相沉积法
气相沉积法是采用气相沉积技术，将CH4等气体沉积到碳纤维表面，形成一层无定型碳，来提高其界面粘结性能，增加复合材料的层间剪切强度。气相沉积法现今
采用的涂层技术主要包括两种：一种是将碳纤维加热到1200℃，然后通入CH4和N2的混合气体处理，CH4在碳纤维表面分解形成涂覆层，处理后复合材料的ILSS是处理前的两倍。另一种方法是，将碳纤维浸渍在喹啉溶液中处理，干燥后经1600℃分解，处理后的复合材料ILSS是处理前的倍。气相沉积法处理碳纤维需要的温度较高，有一定的危险性，工艺条件苛刻，暂时不能实现广泛的工业化应用。
电聚合法
电聚合法用碳纤维作为阳极，不锈钢板作为阴极，电聚合液使用含羧酸共聚物的氨盐水溶液，在电场力的作用下，含羧酸的高聚物的阴离子在电场力的作用下向阳极表面移动，发生质子化作用而沉积在其表面形成聚合膜。电聚合液可以用苯乙烯马来酸酐，甲基乙烯醚马来酸酐等，他们都属于热塑性的材料，在高温下和湿态下ILSS有不同程度的下降，电聚合法的电压比较低，时间短，可与碳纤维生产线匹配，只是工序较复杂，电聚合液不稳定，不便连续操作。
涂层法
涂层法是指在碳纤维表面涂覆一次薄膜，从而增加碳纤维表面活性基团和粘结性能。涂层主要包括：偶联剂涂层和聚合物涂层。偶联剂涂层是通过偶联剂的双性分子结构，其中一类分子与碳纤维表面键合形成稳定结构，另一类分子与基体材料键合，从而使碳纤维和基体材料能很好的结合。刘玉文等研究了硅烷偶联剂对电子束固化碳纤维复合材料对界面的增效效果，结果表明：偶联剂的环氧端基与树脂基体的环氧基团之间进行扩散交联，在碳纤维与树脂基体的界面形成化学键桥，是电子束固化复合材料界面粘合性能得到提高。聚合物涂层法，是将聚合物涂覆到碳纤维表面，再经一定处理后在碳纤维表面形成一层稳定的涂层。在碳纤维进行涂层法处理时，需要对碳纤维进行预氧化处理，使碳纤维表面能有一定活性基团能与涂层很好的结合。涂层能一定的提高碳纤维复合材料的ILSS，但对高模量的碳纤维效果不佳。
等离子体法
等离子体法，是通过等离子体对碳纤维表面进行轰击，在碳纤维表面形成一定的刻蚀，产生一定粗超度，并使碳纤维表面产生一定的活性基团。使碳纤维与基体能产生很强的键合作用，如形成氢键或化学键。碳纤维对等离子的活性反应主要取决于碳纤维的表面结构。不同基体生产的碳纤维对同一种等离子处理的效果可能不同。郑安呐等[7]用氧和氩等离子对STC-300碳纤维的表面处理进行了研究。结果发现，碳纤维经等离子处理后表面形成了游离基，这些基团在30h内转化成其他基团，最终转变为酚羟基后逐渐消失。且等离子处理有产生游离基和消除游离基的双重作用，因此等离子体处理有时间效应，必须及时的与基体复合才能保持很好的效果。等离子体的产生需要一定的真空环境，在工业上应用的成本就提高了，设备结构复杂等，难以实现连续化、稳定化的生产。
晶须生长法
晶须生长法通过化学气相沉积技术在碳纤维表面生成碳化硅、氮化硅、二氧化钛等晶须，晶须的生长法主要包括两个过程：晶核的形成和晶须的生长。晶须生长一般是从单根纤维上的缺陷开始的，这些缺陷包括杂质、疵点及组分或结构不均匀处。晶须生长法可以提高碳纤维复合材料的ILSS。但晶须生长法的成本昂贵，难于精确控制，不能进行工业化生产。
3结论
综上所述，碳纤维处理的各种方法都有优缺点：气相氧化法，反应剧烈，不易控制；液相氧化法，强酸强碱使用太多，设备腐蚀严重；气相沉积法，需要温度高，工艺条件苛刻；电聚合法，工序繁杂，电聚合液稳定，不便连续操作；涂层法，需对碳纤维表面预处理，对高模量碳纤维处理效果不佳；等离子法，成本高，设备要求高，难以连续化、稳定化生产；晶须生长法，反应不易精确控制。相对来说，电化学法有点最多，不仅能够极大的提高碳纤维的表面浸润性能和反应性，而且处理条件温和而易于控制，纤维表面处理均匀，易于与碳纤维生产线匹配，在碳纤维工业化生产上应用的前景广阔。
参考文献
[1] 钱伯章. 国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技纤维与应用,2009,
34(5):41-55.
[2] 汪家铭. 聚丙烯腈基碳纤维的发展与应用[J]. 化工新型材料, 2009, (8): 12-14.
[3] 季春晓等.碳纤维表面处理方法的研究进展[J].石油化工技术与经济.2001,27(2):57-61.
[4] 冀克俭等. 臭氧处理对碳纤维表面及其复合材料性能的影响[J].工程塑料用,2003,31(5):34-36.
[5] 杜慷慨等.碳纤维表面氧化还原研究[J].华侨大学学报.1999,20(2):354-357.
[6] 郭云霞等.碳纤维电化学氧化表面处理效果的动态力学热分析研究[J].复合材料学报.2004,
21(4):40-43.
[7] 郑安呐等. 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面结合的研究[J].复合材料学报,1999,16(3):46-50.
碳纤维表面处理与改性 碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。 碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。 碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化)、表面涂
层法、表面接枝法等。每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较 长。阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。 1、阳极氧化法 阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳 纤维表面进行电化学处理。电解质溶液种类较多,主要可以分为酸性、碱性及中性三种。酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。在酸性介质中电解氧化碳纤维时,虽然氧化效果比较显著,但会使得碳纤维力学性能下降严重,且酸性介质易腐蚀设备;使用碱性电解质氧化处理碳纤维后,碳纤维之间和碳纤维表面残留的金属离子不易洗净,而残留碱性金属离子会导致碳纤维的抗氧化性能下降。因此,目前国内外大多使用铵盐溶液作为电解质,如碳酸氢铵、碳酸铵等,其优点在于:一是对设备无损伤,二是铵盐类电解质在 后续干燥过程中易于分解,不会残留在碳纤维表面。 在碳纤维阳极氧化处理过程中,可通过调整电流密度和处理时间来控制碳纤维的表面氧化程度。由于处理时间往往受到设备尺寸和丝束运行速度的限
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碳纤维表面处理研究现状
碳纤维表面处理研究现状 摘要：综述了碳纤维的应用领域，当前国内外的碳纤维的生产状况，分析了各种碳 纤维表面处理的研究现状以及各方法的优缺点。分析结果表明：国外对我国碳纤维生产进行了技术封锁，我国工业化碳纤维生产与日本等国有较大差距。电化学氧化法对碳纤维表面处理效果较好，处理后碳纤维表面活性基团数量明显增多，生产条件易于控制，该方法很好应用于工业生产。 关键词：碳纤维；表面处理；电化学氧化法； 引言 随着国防科技要求的不断提高，航天航空、军事武器等高科技设备对材料的性能要求的提高，碳纤维复合材料以其耐高温，耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、高比强度等特点被广泛的应用于这些领域。国外碳纤维材料生产研发较早，现今以日本，美国等国家的生产技术领先于世界。 碳纤维按其加工的先驱体不同可以分为：粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基（PAN）碳纤维。碳纤维作为一种增强相与金属、陶瓷、树脂等结合使复合材料的性能得到很大提高。碳纤维表面的活性基团较少，表面光滑，为更好的与基体材料结合，需要在材料复合前对纤维进行一定表面处理。碳纤维表面处理按当前的研究现状可以分为氧化法和非氧化法。在此对纤维的生产状况做出一些介绍以及纤维表面处理的各种方法做比较。 1 碳纤维应用领域及国内外生产状况 碳纤维复合材料具有卓越的物化性能，被广泛应用于航天航空、国防军事、体育用品、风能发电、石油开采以及医疗器械[1]。 碳纤维被用于制造飞机、航天器、卫星等，因碳纤维的轻质、高强度等特点，飞行器的噪音小，飞行所需的燃料消耗降低。据有关报道，飞行器每降低1kg的质量，运载飞行器的火箭可以减轻500kg。航天航空领域碳纤维的使用量从2008年的8200t，到2010年的1万t，预计今年将达到万t。在飞机的制造中，纤维复合材料应用比例都明显的增加。空客A380其中的35t结构材料中，碳纤维复合材料占10%，波音公司生产的波音787，碳纤维和玻璃纤维在结构材料的50%，增加的飞机飞行的经济性以及长时间续航能力。 风能是一种新时代的清洁能源，丹麦最大风力发电机组生产商维斯塔斯预测到2020年，风电将达到世界电量消耗的10%。作为风力发电的风叶必须具有高强、轻质等特点。碳纤维在风叶中的应用主要是大丝束（24K）的纤维。世界对清洁能源的需求致使纤维的需求量不断的在提高。开发低价格，高模量的纤维是一种纤维发展的趋势。 碳纤维的生产技术处于领先地位的是日本和美国[2]。碳纤维生产的三大巨头公司都来至于日本，包括东丽、东邦、三菱人造丝公司。其中东丽公司是波音公司唯一指定的碳纤维供应商。随着碳纤维需求量的增加，三大公司也投入的大量资金扩
碳纤维表面改性技术 摘要碳纤维是一种高性能的材料，它在军事及工业等领域已得到广泛的应用，但由于表面结构的不足，而限制其在复合材料中的部分应用，因此，为了提高碳纤维复合材料的界面结合力，目前国内外的多种表面改性技术得到广泛的应用，主要包括氧化处理，表面涂层法，射线、激光辐射改性及其他处理方法等。 关键词碳纤维，表面改性，氧化处理，表面涂层 1 前言 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在85%以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得[1]。 碳纤维具有十分优异的力学性能，具有比强度高、比模量高等优异特性，在国民经济各个领域得到广泛应用。是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响[2]。 2 碳纤维的简介 碳纤维一般是用分解温度低于熔融点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的，其含碳量在85％以上，在热裂解过程中排出其它元素，形成石墨晶格结构。根据性能的不同可分为高强度、高模量碳纤维，活性碳纤维和离子交换碳纤维。根据制备的原料不同可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、胶粘基碳纤维、沥青基碳纤维、酚基碳纤维等[2,3]。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa 亦高于钢。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从
碳纤维表面氧化处理方法简介 摘要：简单介绍目前可用的碳纤维表面处理方法，对每种方法的实用性及优缺点作简单对比。 对碳纤维表面处理有重要作用：提高碳纤维表面与树脂的反应活性；增加碳纤维与树脂基体的粘接强度；改变碳纤维表面的物理化学形态；调节复合材料的界面相容性。碳纤维的表面处理方法很多，其中，在工业生产碳纤维上到到实际应用的主要有阳极电解氧化法和气相氧化法。等离子氧化刻蚀法、液相氧化法主要用于间歇处理和机理研究。 1)气相氧化法 气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、臭氧等)中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的碳纤维增强塑料CFRP的弯曲强度，弯曲模量，界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(IISS)等力学性能均可得到有效提高，但材料的冲击强度降低较大。此法按氧化剂的不同，通常分为空气氧化法和臭氧氧化法。 贺福等用O3 氧化法对碳纤维的表面进行氧化处理，使碳纤维复合材料(CFRP) 的层间剪切强度提高了40 %～76 % ，他们将原因归于纤维表面的化学官能团和比表面积的增加，而物理的“锚锭效应”是次要的。 W. H. Lee 等[2]将碳纤维在氧气与氮气的混合气体中进行氧化处理,发现氧化处理的纤维和未处理的纤维表面最大的区别是处理后的纤维表面有较多的羰基。氧化处理的纤维增强的复合材料，其剪切强度比未处理的提高了69 % ,因此他们也将原因主要归于纤维表面官能团的改变，认为羰基在纤维与树脂的界面处起到了改善界面结合强度的作用，从而改善了复合材料的性能。 气相氧化法与其它方法比较，显著的优点是设备和工艺简单，成本低，氧化性气体可用空气、氧气、臭氧、二氧化碳和水蒸气等。其中，臭氧氧化法的工艺参数易于控制，处理效果显著，已得到实际应用。 2)液相氧化法
碳纤维表面生长碳纳米管/碳纳米纤维及其增强复合材料的研究制备复合材料前,对碳纤维进行表面改性可以有效改善碳纤维光滑与惰性的表面,增强其与树脂间的界面结合强度,从而提高碳纤维复合材料的力学性能。本课题以化学气相沉积法(CVD)原位生长碳纳米管／碳纳米纤维(CNTs/CNFs)改性碳纤维表面为研究对象,重点研究了以下三个方面的内容：(1)碳纤维预处理工艺对所制备碳纤维表面原位生长CNTs/CNFs多尺度增强体形貌及拉伸强度的影响； (2)CVD工艺对所制备碳纤维表面原位生长CNTs/CNFs多尺度增强体形貌及拉伸强度的影响；(3)碳纤维表面所沉积碳纳米产物的形貌、微观结构与加载量对复合材料界面性能的影响。 利用电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,开发了在连续碳纤维表面简单、高效、均匀地加载催化剂涂层的工艺。通过系统研究电化学改性强度对碳纤维表面物理与化学特性、催化剂颗粒与CNTs/CNFs形貌、多尺度增强体拉伸强度及其增强复合材料层间剪切强度的影响,优化了碳纤维表面电化学改性工艺。 研究发现：催化剂颗粒的形貌与分布不仅影响着碳纤维表面沉积的 CNTs/CNFs的形貌,而且影响着最终碳纤维表面生长CNTs/CNFs多尺度增强体及其复合材料的力学性能。催化剂的不均匀分布容易导致较大催化剂颗粒的形成与催化剂在碳纤维表面的聚集,不仅会引起CNTs/CNFs的不均匀分布,还会严重刻蚀碳纤维表面,影响多尺度增强体的性能。 实验证明最佳的电化学改性强度为100C/g,当电化学改性强度较低时,纤维表面改性程度不足,催化剂在碳纤维表面的分布均匀性较差,导致最终催化生长CNTs/CNFs的均匀性较差,此外,纤维表面还会由于催化剂的聚集形成催化剂— 碳杂质颗粒。电化学改性强度较高时,电化学处理过程对纤维表面损伤较大,导致
预应力建筑碳纤维的表面改性与力学性 能研究 摘要：碳纤维是有机纤维经过一系列转化处理形成的具有优异力学性能，又 兼具柔软可加工性等特性的新材料，在现代化预应力建筑领域有着广泛应用，这 主要是因为碳纤维应用在建筑领域具有自重轻、施工方便、柔和型好、耐久性佳、抗高温和抗磨损性能优异以及适用于混凝土构件等优点。然而，随着现代化建筑 朝着预应力、高跨度和高层化方向发展的趋势，对建筑用碳纤维的力学性能提出 了更高的要求，这就要求对传统碳纤维进行表面改性处理，以进一步提升碳纤维 的润湿性和界面性能等。在此基础上，本文尝试采用逐层组装法对碳纤维进行表 面改性处理，并对比分析了不同层数的碳纤维的表面显微形貌和力学性能，以期 为高性能预应力建筑用碳纤维复合材料的制备提供参考 关键词：预应力；碳纤维；接枝改性；力学性能 引言 碳纤维材料是近年来研究比较热门的一种新型纤维材料，凭借着其耐高温、 耐腐蚀、超高强度、高模量和比重小等优点，广泛应用于航空航天、交通运输、 建筑及文体等多个领域。根据碳纤维原料的来源，碳纤维可大致分为:以沥青为 原料的沥青基纤维、以黏胶为原料的粘胶基纤维和以聚丙烯腈为原料的聚丙烯腈 基纤维。高性能碳纤维的问世，标志着材料发展史上又一次突破［2］。碳纤维 具有强度高、比重小、耐腐蚀、优异的电性能等多种特点，在军工、民用多个领域，与其他纤维的竞争中逐步发展壮大。随着碳纤维需求量的不断增长，碳纤维 材料已经成为人们研发新材料的重点。 1试验材料与方法 1.1试验原料
试验原料包括德州华益碳纤维制品有限公司提供的碳纤维（直径6μm、密度1.65g/cm3）、上海乃欧纳米科技有限公司提供的多壁碳纳米管（CNTs，直径 30μm、纯度98%）、吴江市南风精细化工有限公司提供的分析纯过硫酸钾和分析 纯硝酸银、上海一基实业有限公司提供的分析纯2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N和N,N 二异丙基乙胺，北京化学试剂厂提供的65%硝酸和98%硫酸以及分析纯丙醇。 1.2试验设计 制备100mm×100mm×100mm立方体试块，置于标准条件下养护。试验按照碳 纤维体积掺量的不同分为6组，减水剂的掺量为胶凝材料的0.5%，配合比见表3。碳纤维的体积掺量分别为0，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%，命名为D，D-1， D-2，D-3，D-4，D-5。每组均选取3个平行试块，分别测试3，7，14，28d的立 方体抗压强度，28d劈裂抗拉强度，取其算术平均值作为该组试块的强度值。待 试块养护28d后，对其进行SEM电镜试验和气孔结构试验。 1.3测试方法 采用AXISUltraDLD型X射线光电子能谱仪对碳纤维表面元素含量和官能团 进行表征，并对XPS图谱进行分峰拟合得到官能团相对含量；采用Quanta200FEG 型扫描电镜对碳纤维表面形貌进行观察；根据ASTMD3397标准在MTS-810型万能 材料试验机上进行碳纤维单丝拉伸强度测试，拉伸速率为6mm/min；采用三点短 臂梁弯曲法在MTS-810型万能材料试验机上进行层间剪切强度测试；采用ZB-903 型落锤冲击试验机进行室温冲击性能测试，取5组试样平均值作为测试结果。 2试验结果与分析 2.1试验现象 普通混凝土的破坏属于脆性破坏，表面形成正倒相接的八字形裂缝，荷载继 续加载裂缝往混凝土的内部扩展，此时混凝土开始向四周剥落，最后形成了正倒 相接的四角锥形状，而掺有碳纤维混凝土的试件呈现的是竖向的裂缝状态，后期 斜向裂缝的裂缝宽度明显较小且试件表面酥碎掉渣较少。碳纤维混凝土在重复的 受压荷载作用下，在达到峰值应力后，试件表面出现可以用肉眼观察到的裂缝。
碳纤维表面处理方法 碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。然而，碳纤维表面的处理对其性能和应用有着至关重要的影响。本文将介绍几种常见的碳纤维表面处理方法。 1.化学处理 碳纤维表面的化学处理方法包括氧化、硝化、酸洗等。这些方法可以使碳纤维表面产生一层氧化层或硝化层，提高其表面活性和亲水性。同时，酸洗可以去除碳纤维表面的杂质和残余物，提高其表面的纯度。 2.机械处理 碳纤维表面的机械处理方法包括砂纸打磨、切割、磨削等。这些方法可以去除碳纤维表面的毛刺或不平整部分，提高其表面平整度和光泽度。同时，机械处理也可以使碳纤维表面更容易进行涂覆或粘接。 3.等离子体处理 等离子体处理是一种新兴的碳纤维表面处理方法。它利用等离子体产生的离子和电磁波对碳纤维表面进行处理，可以使其表面产生化学反应或物理变化。等离子体处理可以在不改变碳纤维本身结构的
情况下改善其表面性质，如增强其表面活性、提高其耐热性、增强其耐候性等。 4.硅化处理 硅化处理是一种常用的碳纤维表面处理方法。它将碳纤维表面涂覆一层硅化物，可以提高其表面硬度和抗磨损性能。硅化处理还可以改变碳纤维表面的摩擦系数和耐腐蚀性能，提高其应用范围和使用寿命。 5.表面修饰 表面修饰是一种较为简单的碳纤维表面处理方法。它利用化学涂覆或物理吸附的方法，在碳纤维表面涂覆一层表面活性剂或功能化分子。这些分子可以使碳纤维表面产生特定的化学反应或物理特性，如吸附、催化、防腐等。 碳纤维表面处理是提高碳纤维性能和应用范围的重要手段。不同的处理方法可以根据不同的应用场景和需求进行选择和组合，以达到最佳效果。
碳纤维布的施工准备以及表面处理 1. 碳纤维布施工前的准备工作 1.1 确定材料及工具清单 在选择碳纤维布的材料时，需要根据具体工程的要求进行选材，包括确定碳纤 维布的规格、面积、厚度等参数。同时，需要准备好相应的工具，如橡皮刮板、批刀、刷子、滚筒等，以便进行施工。 1.2 对施工场地进行清理和准备 在进行碳纤维布施工前，需要对施工场地进行清理和准备工作。首先需要将原 有的杂物和残留物清除干净，确保施工表面干净、平整。此外，需要针对具体的施工工艺进行场地准备工作，如进行模板制作、拆卸等。 1.3 进行施工方案和工艺流程的确认 在进行施工前，需要进行施工方案和工艺流程的确认，这包括完成施工图纸的 设计、技术方案的制定等。在确认施工方案和工艺流程后，需要进行相应的材料和工具的采购和调配，以确保施工过程中的顺利进行。 2. 碳纤维布施工时的表面处理 2.1 表面清洁 在进行碳纤维布施工时，首先需要对施工表面进行清洁处理。使用场地清洁工具，如扫把、清洗机器等，将场地内的杂物、灰尘、油污等污物清除干净。在进行清洁之前，需要确保施工表面是干净、平整、无污染，否则会影响后续碳纤维布的附着力，甚至使操作过程中产生安全隐患。 2.2 表面处理 在进行碳纤维布的施工过程中，采用表面处理技术可以提高碳纤维布的附着性、粘结性、耐用性等综合性能。表面处理可分为机械处理和化学处理两种方式： •机械处理 机械处理是利用机械力对工件表面进行物理性改性，并形成一定的粗糙度。常 用的机械方法包括砂纸、磨齿轮、抛光等。机械处理通常需要消耗大量的时间和能量，同时也会产生噪音和粉尘等环境污染问题。 •化学处理
表面处理对碳纤维及其复合材料性能的影响 摘要：碳纤维表面活性官能团较少，难以与极性聚合物相容。通过碳纤维的表面处理，可以接枝官能团和短支链、长链结构和聚合物等，可以改变碳纤维的比表面积和表面极性，提高其与基体的相容性，并扩展碳纤维的适用范围。 关键词：表面处理；碳纤维；复合材料；性能影响 前言 碳纤维作为最受关注的高性能纤维之一，其表面改性一直受到人们的广泛关注。国外尤其是日本、美国等发达国家对于碳纤维的制备、改性已有较深入的研究，并取得了一系列成果。目前，国内外对于碳纤维表面接枝法的研究较多，且普遍围绕如何提高碳纤维与基体复合材料的界面粘结力展开。碳纤维与基体复合材料的界面粘结机理十分复杂，目前虽已有一些实验和理论对此进行了说明，但相关研究者尚未达成统一认识，仍需进行大量深入的研究。利用化学接枝法可以有效增加碳纤维的表面粗糙度，提高碳纤维与基体间的粘结力，保证碳纤维材料高强性能的有效发挥。 1氧化法 氧化法根据氧化介质不同分为液相氧化、气相氧化、电化学氧化等。液相或气相氧化是将碳纤维置于具有氧化性的液体或气体中处理的方法。采用HNO3氧化处理碳纤维，并将处理结果与其他研究人员的结果做对比，发现不同研究人员的研究结果差异较大。他们认为硝酸氧化处理，可以消除碳纤维制备过程中表面存留的碎片但是表面刻蚀效果并不明显。王影[4]将碳纤维置于臭氧气氛中进行处理，结果发现臭氧处理后，碳纤维表面发生一定程度的刻蚀，致使碳纤维表面变粗糙，但是表面的氧元素含量、含氧极性官能团的相对含量都有所增加。臭氧处理后的碳纤维表面仍为类石墨结构，但表面石墨化程度下降，表面被活化。 2高能辐射处理法 高能辐射处理是利用高能射线发出的微粒子或者等离子体轰击纤维的表面，在纤维表面与树脂基体间产生化学键合作用，提高树脂基体对碳纤维的润湿性。采用电晕放电的方式产生低温等离子体。通过该途径产生的低温等离子体包括大量活性离子，这些粒子能与碳纤维表面发生相互作用，清洁纤维表面，使碳纤维表面变粗糙，同时产生微观球状结构；根据放电气体的不同，在纤维表面引入不同的化学基团；改变纤维表面的接触角和表面能。碳纤维表面性能的改善和本体拉伸强度的改变，使碳纤维复合材料的力学性能发生变化。采用γ射线处理日本东丽公司生产的不同型号碳纤维，研究了不同辐射介质对碳纤维本体结构和表面性能的影响。他们发现石墨化程度低和表面粗糙的碳纤维在辐射处理后石墨化程度增加，石墨化程度高并且表面光滑的处理后降低，但所有纤维的表面能都提高了。辐射介质对碳纤维表面化学性能有影响，在氩气中纤维表面的氧质量分数降低，在环氧氯丙烷中氧质量分数增加。 3表面涂层法 采用六氯环三磷腈作偶联剂改善碳纤维表面性能。研究人员将日本东丽公司生产的T700S除胶后在HNO3中氧化处理2h以引入极性官能团，再经过一系列的化学试剂处理，最终在纤维表面引入胺基官能团。该方法处理后的碳纤维力学指标基本不变，用其制成的复合材料层间剪切强度提高了71.2%。电聚合法是在
对碳纤维表面处理的认识与理解 碳纤维是一种新型的纤维材料，因其具有轻质、高强度、耐腐蚀等优良性能而被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。然而，碳纤维表面具有一定的亲水性和表面能，与其他材料接触时易产生剥离、分层等问题，因此碳纤维的表面处理变得尤为重要。本文将对碳纤维表面处理的认识与理解进行详细阐述。 一、碳纤维表面处理的必要性 由于碳纤维表面的亲水性和表面能，对各类粘接剂的黏附能力强，同时对于各种腐蚀环境的敏感度也较高。在实际生产、应用过程中，碳纤维经常需要和其他不同材料进行接触，如金属、陶瓷等。此时若没有进行必要的表面处理，易造成产物剥离、结构松散、化学腐蚀等问题，从而影响产品的使用性能。 二、碳纤维表面处理的方法 1、物理处理：该方法主要包括氧气、等离子体、激光等方法。其中，氧气处理是目前较为常用的方法。氧气在高温下与碳纤维表面发生氧化反应，改善纤维表面亲水性，增加其表面能。等离子体、激光处理也能有效地改善碳纤维表面性质。除此之外，还可采用研磨、喷砂等方法
将碳纤维表面的油污、杂质清除，提高其粘接性和耐腐蚀性。 2、表面涂层：这种方法是通过在碳纤维表面覆盖一层特殊涂层，来改善其表面性质。常用的涂层有聚合物、金属、氧化物等，可根据需要选择不同材料的涂层。例如，以聚合物涂层为例，可以通过电泳沉积、喷涂等方式在碳纤维表面涂覆一层聚合物薄膜，以增加碳纤维表面的粘接力和耐腐蚀性。 3、化学处理：该方法通过在碳纤维表面引入一些化学物质，改变其表面性质，以提高其粘接性和耐腐蚀性。常用的化学处理方法有表面喷涂、表面改性等。例如，采用表面改性法，可以将碳纤维表面进行阳离子化改性，增加其表面的化学反应活性，改善其粘接性和耐腐蚀性。 三、表面处理后的碳纤维性质变化 经过表面处理的碳纤维，其表面能被有效改善，亲水性变强，粘接力和耐腐蚀性能都能得到提高，从而可在更广泛、更复杂的应用中发挥更为优异的性能。 四、总结 碳纤维表面处理是当前碳材料领域的一个热点问题，对于完善碳材料的力学性能和表界面性能至关重要，是碳材料研究和应用的必经之路。在未来的发展中，需要不断
碳纤维的表面处理方法及作用效果 碳纤维的表面处理方法有多种，包括表面清洁处理、气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、表面涂层法、表面沉积元机物、电聚合处理以及冷等离子处理。这些方法的作用效果如下： 1. 表面清洁处理：碳纤维表面易吸附水分及有机污染物，影响与基体的结合。通过在惰性气体保护下加热到一定高温并保温一定时间，可以清除吸附水，净化表面，从而提高纤维与基体的结合强度。 2. 气相氧化法：在加热下用空气、氧气、CO2、臭氧等处理碳纤维，处理后CF比表面积和表面粗糙度增加，使表面产生胺基、羟基、羰基等含氧极性基团，有利于碳纤维与基体树脂界面结合，从而提高CF增强复合材料的综合力学性能。 3. 液相氧化法：以浓HNO3、H3PO4、HClO、KMnO4、NaClO等氧化剂与CF长时间接触，在纤维表面形成羧基、羟基等基团，增强与树脂的结合力。 4. 阳极氧化法：对碳纤维进行阳极氧化表面处理后，碳纤维的浸润性有一定程度的增强，碳纤维与水的接触角也有一定程度的降低；碳纤维强度出现了一定程度的下降，强度离散性也略有增大。 5. 表面涂层法：碳纤维表面涂层的制备不仅能够提高碳纤维抗氧化性，也是提高碳纤维与基体润湿性，改善复合材料界面结构性能的主要方法。 6. 表面沉积元机物：通过在碳纤维表面镀覆一层金属或金属化合物膜能够改善纤维与基体间的界面结合，优化界面，充分发挥碳纤维增
强体在复合材料中的作用。 7. 电聚合处理：通过电化学处理后能够形成较为均匀的聚合物层，形成的环氧树脂复合材料断面较为平整，纤维拔出量少。 8. 冷等离子处理：用放电、高频电磁振荡、冲击波及高能辐射等方法使惰性气体或含氧气体产生等离子体，对材料的表面进行处理。低温等离子体技术是20世纪60年代出现的一种新的材料表面处理技术。具有节能、无公害、处理时间短、效率高以及能满足环境保护要求等优点。 总的来说，这些方法的作用效果主要体现在提高碳纤维的表面粗糙度、极性、润湿性以及与基体的结合强度等方面。
碳纤维增强复合材料的界面改性与力学性能 研究 近年来，碳纤维增强复合材料因其优异的性能逐渐成为材料科学领 域的研究热点。然而，在实际应用过程中，碳纤维增强复合材料的界 面粘结性能往往成为制约其力学性能的关键因素。因此，针对碳纤维 增强复合材料的界面改性与优化成为了当前研究的重点之一。 一种常用的界面改性方法是通过表面处理剂来提高碳纤维与基体间的相容性。研究表明，采用含有亲水基团的表面处理剂可以增强碳 纤维与基体之间的粘结能力，从而显著提高复合材料的力学性能。此外，一些研究还发现，通过引入含有活性官能团的交联剂可以进一步 增强界面的化学键结合，提高界面的稳定性和耐久性。 另外，也有研究探讨了纳米颗粒在改善碳纤维增强复合材料界面性能中的应用。纳米颗粒作为有效的增强材料可以提供更大的界面接 触面积，并且具有优异的表面活性，从而增强复合材料的界面粘结。 通过选择合适的纳米颗粒类型和控制纳米颗粒的分散性，可以进一步 改善碳纤维增强复合材料的力学性能。 此外，一些研究还通过界面改性来优化碳纤维增强复合材料的界面结构。例如，采用从天然产物中提取的天然高分子材料可与碳纤维 形成更好的界面结构，并提高复合材料的界面粘结性能。与传统的界 面改性方法相比，天然高分子材料具有天然可再生、环境友好等优点，因此受到了广泛的关注。
进一步研究发现，碳纤维增强复合材料的界面改性不仅可以改善其力学性能，还可以提升其耐热性和耐腐蚀性能。微观界面结构的优 化可以有效阻止外界的物质渗透，从而提高复合材料的稳定性和使用 寿命。 总之，碳纤维增强复合材料的界面改性与力学性能研究是当前材料科学领域的重要研究方向。通过表面处理剂、纳米颗粒和天然高分 子材料等方法的应用，可以改善碳纤维增强复合材料的界面粘结性能，提高其力学性能和耐热性能。此外，进一步优化界面结构可以有效提 升复合材料的耐腐蚀性能。随着研究的深入，相信碳纤维增强复合材 料的界面改性技术将不断得到突破和创新，为复合材料的应用领域带 来更加广阔的发展前景。
碳纤维表面等离子表面处理 碳纤维是一种具有轻质、高强度和高刚度的纤维材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。然而，碳纤维的表面性质对其性能和应用有着重要影响。为了改善碳纤维表面的性能，常常需要进行等离子表面处理。 等离子表面处理是通过利用高能等离子体对材料表面进行物理或化学的处理，从而改善材料表面的性质。对于碳纤维而言，等离子表面处理可以提高其表面能量、增强表面粗糙度、改善界面粘结性能等，从而提高其与基体的结合强度和界面性能。 在碳纤维表面的等离子表面处理中，常常采用氧等离子体处理。氧等离子体处理可以通过氧化、氧化还原、表面活性改性等方式对碳纤维表面进行改善。一方面，氧等离子体处理可以引入氧含量丰富的官能团，增加碳纤维表面的极性，从而提高其润湿性和粘接性能；另一方面，氧等离子体处理还可以增加碳纤维表面的粗糙度，提高其表面积，从而增加与基体的接触面积，提高结合强度。 除了氧等离子体处理外，还可以采用氮等离子体处理、氢等离子体处理等方式对碳纤维表面进行改善。氮等离子体处理可以引入氮含量丰富的官能团，增加碳纤维表面的极性，提高其润湿性和粘接性能。氢等离子体处理可以在碳纤维表面引入氢原子，从而改善其表面化学活性，增强其与基体的结合能力。
还可以采用硅等离子体处理、氟等离子体处理等方式对碳纤维表面进行处理。硅等离子体处理可以在碳纤维表面形成硅氧化物层，从而提高其耐热性和耐腐蚀性。氟等离子体处理可以引入氟含量丰富的官能团，降低碳纤维表面的表面能量，改善其自洁性和耐腐蚀性。 在进行碳纤维表面的等离子表面处理时，需要考虑处理参数的选择。处理参数包括等离子体功率、处理时间、处理气体组成等。不同处理参数对碳纤维表面的改善效果有着重要影响。因此，在进行等离子表面处理时，需要根据具体的应用要求和处理目的选择合适的处理参数。 碳纤维表面的等离子表面处理是一种改善碳纤维表面性能的重要手段。通过采用不同的等离子体处理方式，可以改善碳纤维表面的润湿性、粘接性能、耐热性、耐腐蚀性等性能，从而提高碳纤维的综合性能和应用价值。在进行等离子表面处理时，需要合理选择处理参数，以达到最佳的处理效果。随着科技的不断进步和发展，碳纤维表面的等离子表面处理将在更广泛的领域得到应用。
碳纤维表面处理方法的探讨 1 引言 碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美國纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。 2 常用表面处理方法 2.1 阳极氧化法 阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生产的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和二氧化碳的过程。 阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。 通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。 阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确
碳纤维表面加工工艺 一、预处理 预处理是碳纤维表面加工的第一步，主要目的是去除碳纤维表面杂质，提高其表面清洁度。常用的预处理方法包括酸处理、氧化处理、机械研磨等。酸处理和氧化处理可以去除碳纤维表面的油污和石墨层，提高表面的润湿性和粘结性。机械研磨则可以通过物理方法使碳纤维表面粗糙化，增加表面的接触面积。 二、涂层处理 涂层处理是在碳纤维表面涂覆一层或多层涂层，以提高其耐腐蚀、抗氧化、耐磨等性能。常用的涂层材料包括树脂、金属、陶瓷等。涂层处理可以采用喷涂、电镀、化学镀等方法。喷涂适用于大面积涂覆，电镀和化学镀则适用于小面积或局部涂覆。涂层处理的碳纤维具有优异的使用性能和较长的使用寿命。 三、编织强化 编织强化是通过将碳纤维编织成各种形状和规格的织物，以提高其力学性能和结构稳定性。碳纤维织物在航空航天、汽车、体育器材等领域得到广泛应用。编织强化的方法包括机织、针织、编织等，不同的编织方法可以制备出不同结构、不同性能的碳纤维织物。编织强化可以提高碳纤维的抗拉强度、弹性模量等力学性能，同时还可以提高其耐高温性能和尺寸稳定性。 四、热处理 热处理是通过对碳纤维进行高温处理，以提高其力学性能和使用寿命。
热处理可以改变碳纤维内部的晶体结构和化学键合状态，使其更加稳定和致密。热处理的方法包括高温退火、真空热处理等，温度和时间的选择对碳纤维的性能有很大影响。经过热处理的碳纤维具有更高的强度和模量，同时还可以提高其抗氧化和耐腐蚀性能。 五、表面改性 表面改性是通过对碳纤维表面进行处理，改变其表面化学和物理性质，以提高其与其他材料的相容性和粘结强度。表面改性的方法包括化学氧化、等离子体处理、辐射接枝等。化学氧化可以将碳纤维表面的烃基变为羧基或酚羟基等极性基团，提高表面的润湿性和粘结性。等离子体处理则可以通过引入活性基团或改变表面能级分布，提高表面的反应活性和润湿性。辐射接枝则可以通过高能辐射引发聚合物单体在碳纤维表面接枝聚合，形成具有特定功能的涂层。经过表面改性的碳纤维具有更好的浸润性和粘结性，能够与其他材料形成更加牢固的界面结合，从而提高复合材料的整体性能。
亲水碳布处理步骤 亲水碳布是一种具有亲水性能的碳纤维材料，在水处理、环境治 理以及生物医学领域得到广泛应用。下面将从制备、其在水处理中的 应用以及未来发展方向进行详细说明。 一、制备亲水碳布 亲水碳布的制备主要包括以下步骤： 1.碳纤维的选择：选择高质量的碳纤维作为原料，通常采用聚丙 烯腈纤维，具有较高的强度和韧性。 2.氧化处理：将碳纤维经过高温氧化处理，使其表面形成氧化层，增加其亲水性能。 3.表面改性：通过表面改性使碳纤维具有更好的亲水性能，常用 的方法包括酸洗、碱洗以及水热法等。 4.亲水涂层：将改性后的碳纤维进行亲水涂层，常用的涂层材料 包括石墨烯、氧化石墨烯以及聚合物等。
5.热压处理：将涂层后的碳纤维进行热压处理，提高涂层与纤维间的结合力，增加亲水性能的稳定性。 以上是亲水碳布制备的主要步骤，通过这些步骤可以获得具有良好亲水性能的亲水碳布。 二、亲水碳布在水处理中的应用 亲水碳布在水处理中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面： 1.污水处理：亲水碳布具有较高的吸附性能，能够有效去除水中的有机物、重金属离子以及微小颗粒。在污水处理中，可以将亲水碳布作为吸附剂使用，将污水中的有害物质吸附到碳布上，从而净化水质。 2.水处理膜：亲水碳布可以用于制备水处理膜，其亲水性能可以提高膜材表面的通透性，增加对水中溶解性物质的拦截效果。因此，亲水碳布膜在水处理过程中具有较高的净化效果。 3.水污染监测：亲水碳布可以作为水污染监测的传感器材料，通过检测碳布与水中有害物质之间的相互作用，可以实现对水质的实时监测和预警。
4.水净化装置：亲水碳布可以应用于水净化装置中，通过其吸附性能去除水中的有机物质和微小颗粒，提高水质。 亲水碳布在水处理中的应用涉及多个领域，其独特的亲水性能使其在水资源的净化和保护中发挥着重要作用。 三、未来发展方向 亲水碳布在水处理领域的应用仍有待进一步研究和改进，未来的发展方向主要包括以下几个方面： 1.提高亲水性能：目前亲水碳布在水处理中的亲水性能还有待提高，可以通过更好的改性方法和涂层技术来进一步增强碳布的亲水性能。 2.多功能亲水碳布：研究开发具有多功能性能的亲水碳布，例如具有吸附和催化功能的亲水碳布，可以进一步扩展其在水处理中的应用范围。 3.生物响应性亲水碳布：开发具有生物响应性的亲水碳布，可以在生物医学领域中应用于药物传输、组织工程等方面，具有较大的应用潜力。
碳纤维表面处理技术分析 作者：夏永站 来源：《中国化工贸易·上旬刊》2018年第10期 摘要：随着近些年我国工业技术水平的不断提升，当前碳纤维材料的应用变得越来越广泛，且其相关的处理技术，也有这较为迅猛的发展趋势，进一步巩固了碳纤维材料在航空航天、建筑、化工、汽车等领域的应用成效。为了强化相关人员的认识，本文通过对碳纤维表面处理技术的内容展开分析，希望能够起到一些积极的参考作用。 关键词：碳纤维;表面处理;技术分析;探究 在工业应用上，由于碳纤维材料具有较小的相对密度，且其比强较高、比模量高、热膨胀系数小等特点，所以其应用效果比着以往的材料更具优越性。为了更好发挥碳纤维材料的作用，需要对其表面进行有效的处理，降低碳纤维表面的惰性，发挥其高性能的使用特点。在调查中发现，针对碳纤维这种材料，国内外的表面改性研究都极为活跃，通过提升表面活性，能够强化碳纤维与基体树脂之间的界面性能，进而巩固复合材料层间剪切强度。 1 非氧化法 1.1 气相沉积法 针对碳纤维表面处理技术的内容，采用气相沉积法，可以对材料界面的黏结性能进行巩固，进一步增强复合材料的层间剪切强度。在技术应用的过程中，主要可以采取两种方法：一种是对碳纤维材料进行加热，当其温度达到1200℃的时候，再利用相应的混合气体展开处理，甲烷等混合气体，会在碳纤维表面形成无定型碳的涂层，整个材料的剪切强度可以提升两倍;另一种是利用喹啉溶液来进行处理，同时经过干燥程序后，碳纤维复合材料层间的剪切强度能够提升2-3倍。尽管这种方法能够提升复合材料的界面性能，但是其工艺条件比较苛刻，执行过程中具有一定的危险性，所以在工业化应用上并不是十分的广泛。 1.2 电聚合法 在电场力的作用下，电聚合法可以令那些含有活性基团的单体，在碳纤维表面聚合为膜，进而对材料的表面形态、组成进行改善。在对电聚合法进行应用的时候，主要采用一些热塑性的聚合物，但是由于这些聚合物自身不具备耐高温的性能，所以复合材料的高温层间剪切强度、湿态层间剪切强度，均会出现不同程度的下降。电聚合的电压较低，生产时间较短，可以与碳纤维生产线展开有效的匹配，但是由于工序比较繁杂，所以有的电聚合液可能会出现不太稳定的情况，影响到连续操作的步骤。 1.3 偶联剂涂层法
碳纤维的规格与种类 碳纤维是一种由碳原子构成的纤维材料，具有高强度、轻质、耐腐蚀 等特点。它广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、建筑材料等领域。在不同的应用领域中，碳纤维的规格和种类也有所区别。 碳纤维的规格主要涉及其纤维的直径、纤维的成分、纤维的长度等。 碳纤维的直径一般在5-10微米之间，比人类头发的直径细了近100倍。 不同直径的碳纤维适用于不同的应用领域。较细的碳纤维适合用于纺织品、塑料增强材料等，而较粗的碳纤维适用于复合材料、高强度零件等。碳纤 维的成分主要是碳元素，含碳量一般在90%以上。较高纯度的碳纤维具有 更高的强度和刚度，因此在一些高要求的应用领域中使用较高纯度的碳纤维。碳纤维的长度一般在几毫米到几厘米之间，较长的纤维适用于编织、 缠绕、纺织等工艺。 根据纤维的制造工艺和材料的不同，碳纤维可以分为几种不同的类型。最常见的碳纤维类型是炭化纤维，它是将含碳的有机原料（如聚丙烯腈纤维）在高温中经过炭化反应得到的碳纤维。炭化纤维颗粒结构紧密，具有 较高的强度和刚度，适用于高强度要求的应用领域。此外，还有气相法碳 纤维，它是通过将有机气体在高温中分解生成纳米碳颗粒，再通过拉伸、 编织等工艺制得。气相法碳纤维的结构均匀，强度高，适用于高要求的航 空航天、汽车等领域。另外，还有石墨纤维、部分有机硅纤维等其他类型 的碳纤维。 除了这些基本类型外，还有一些特殊类型的碳纤维。比如说，表面改 性碳纤维是将碳纤维的表面经过处理，使其具有更好的粘接性能和界面相 容性。这种碳纤维在复合材料中能够更好地与基体材料结合，提高其综合
性能。另外，还有从纳米碳管制备的碳纤维，它具有更高的表面积、更好的导电性能等特点，在电子器件、电池等领域有广泛应用。 总的来说，碳纤维的规格与种类是多样化的，不同的应用领域和需求确定了碳纤维的具体规格和种类。随着科技的进步和需求的不断变化，碳纤维的规格和种类也在不断发展和更新。
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利说明 书 （10）申请公布号 CN106835695B （43）申请公布日 2019.05.14（21）申请号CN201710056931.7 （22）申请日2017.01.24 （71）申请人哈尔滨工业大学 地址150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号 （72）发明人王荣国;刘文博;焦卫卫 （74）专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所 代理人侯静 （51）Int.CI 权利要求说明书说明书幅图（54）发明名称 一种丙烯酰胺类有机溶液接枝改性碳纤维表面上浆剂的方法 （57）摘要 一种丙烯酰胺类有机溶液接枝改性碳纤维 表面上浆剂的方法，涉及一种碳纤维表面上浆剂 改性的方法。本发明是为了解决目前的碳纤维增 强乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂复合材料的界 面结合强度低的技术问题。本发明：一、配置丙 烯酰胺类改性剂有机溶液；二、碳纤维表面改 性。本发明方法简单易行，直接在碳纤维表面上 浆剂上进行化学接枝，不会损害碳纤维本身的强 度，改性后的上浆剂还可以起到保护碳纤维的作
用。改性后的碳纤维与不饱和树脂制备的复合材 料的界面剪切强度以及各项力学性能都得到明显 的提高。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2017-06-13公开公开 2017-06-13公开公开 2017-06-13公开公开 2017-07-07实质审查的生效实质审查的生效 2017-07-07实质审查的生效实质审查的生效 2019-05-14授权授权
权利要求说明书 一种丙烯酰胺类有机溶液接枝改性碳纤维表面上浆剂的方法的权利要求说明书内容是....请下载后查看
复合材料用碳纤维的表面硝酸液相处理 作者：杨君张立先周莉等 来源：《当代化工》2015年第10期 摘要：碳纤维（CF）已经成为制备高性能复合材料的重要基体之一。为了能制备性能更加稳定和高效的复合材料，需要对碳纤维表面进行处理和改性。使用硝酸作为表面改性液相体系，分别在不同的处理温度和时间下通过表面电镜扫描（SEM），X射线衍射（XRD）和傅立叶红外光谱分析（FT-IR）表征处理结果。通过分析表征综合结果得出：当温度在80 ℃，处理时间为30 min时，表面官能团分布最好，且微晶结构最好；当处理时间控制在120 min以内，处理温度在100 ℃左右，纤维表面既能变得粗糙又不使得表面被酸刻蚀破坏。 关键词：碳纤维；复合材料；硝酸处理 中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2289-05 Surface Treatment of Carbon Fiber With Nitric Acid YANG Jun，ZHANG Li-xian，ZHOU Li，GONG Xiao-jie （Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China） Abstract： Carbon fiber （CF） has become one of important raw materials to prepare high performance composite materials. In order to prepare more stable and efficient performance composite materials， carbon fiber surface need be treated and modified. In this paper， nitrate was used as a surface modification liquid system to treat the carbon fiber under different temperatures and time，and then treated carbon fiber was characterized by SEM （SEM）， X-ray diffraction （XRD） and Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR）. The results show that： when the temperature is 80 ℃， treatment time is 30min， the distribution of surface functional groups is the best， and the microcrystalline structure also is the best； when the processing time is within 120 min， treatment temperature is about 100 ℃， the fiber surface becomes rough ，but it cannot be destroyed by acid etching. Key words： Carbon fiber； Composites； Nitric acid treatment 碳纤维已经成为最重要的增强材料之一，碳纤维复合材料（CFRP）的应用也日趋广泛，而CFRP的力学性能则是我们最为关心的一个指标。影响CFRP力学性能的主要因素不只取决于基体材料的力学性能，还取决于碳纤维的表面性能、纤维与基体材料的结合程度以及表面上的受力传递的方式等[1]。未经表面处理的碳纤维与基体材料的粘结程度难以达到要求水平， 因此，对碳纤维进行表面处理已成为现在研究较多的课题之一[2]。随着科学技术的不断发展 和进步，碳纤维表面处理的方法也不断改进，然而对于不同性能指标的纤维采取不同的处理方