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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控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。
但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。
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。
碳纤维表面处理碳纤维作为一种具有高强度高模量的先进材料，通常需要与其他基体材料进行复合制备成复合材料进行使用。
由于碳纤维本身经过1300℃以上的高温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具有较强的惰性，与高分子树脂等基体进行复合时，纤维与树脂的结合较差，影响纤维优异力学性能的发挥,并最终影响复合材料的性能。
因此在碳纤维制备过程中，通常需要对碳纤维进行表面处理,增加其表面的活性基团，增强与树脂等基体之间的结合。
5。
3.1 表面处理方法由于碳纤维表面处理对其复合材料性能提高的作用，因此表面处理方法的研究也是碳纤维制备技术研究的重点。
经过多年的研究，科研工作者开发了多种对碳纤维进行表面处理方法,表 5.11列出了可以对碳纤维进行表面处理的不同方法及其影响因素.在这些处理方法中，目前应用在工业化生产上的基本上都是电解氧化法.表5。
11 碳纤维表面处理方法和影响因素序号类型处理方法影响因素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、空气、水蒸气/空气、NO/空气时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/ H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比例、3 电解氧化氨水、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等水溶液时间、电压、电流密度、电解质浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电引发聚合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 聚合物电沉积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马来酸酐共聚物时间、电压、电流、溶剂、共聚物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性聚氨酯炭黑树脂组成含量、涂覆量8 高温气相沉积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石墨晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面聚合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈—苯乙烯、丙烯腈、异氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、空气、SiC涂层、AN聚合时间、真空度、功率、流动速度5。
2020年01月碳纤维表面处理及其复合材料性能研究张安花（厦门新凯复材科技有限公司，福建厦门361021）摘要：碳纤维具有耐高温、导电、导热、耐腐蚀等性能，可制作成各种复合材料产品，应用于不同领域中。
为提升航空复合材料强度，研究使用浓硝酸、浓硝酸超声处理碳纤维表面，经处理会影响碳纤维表面的微结构、表面化学组成，达到增强复合材料性能效果。
关键词：碳纤维；表面处理；复合材料性能碳纤维主要和树脂等材料复合，具有增强作用，可制造出更先进的复合材料。
但因类石墨结构其表面存在一定化学惰性，很难浸润树脂及化学反应，表面难与树脂结合，进而影响复合材料强度。
故需改变碳纤维表面性质，以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化，进而更容易浸润和发生化学反应，使复合材料界面更紧密连接而增加强度。
通常采用偶联剂涂层法、氧化法、等离子等处理方法.在航空领域因耐燃效果需求高使用酚醛树脂，而市面上的碳纤维较少有偶联剂涂层适用酚醛树脂，本文研究液相氧化法与超声协同处理碳纤维表面，达到增加酚醛树脂碳纤维复合材料强度。
1实验方法1.1碳纤维表面处理方法（1）碳纤维表面的上浆剂脱除选用PAN 基碳纤维，型号为Toray T700，使用乙醇/丙酮进行回流处理，其体积比为1:1，处理时间为48h ，将碳纤维表面的上浆剂(即偶合剂)脱除（2）脱浆后碳纤维再进行表面处理处理方法有两种:第一，在浓硝酸中浸泡，温度为60℃，处理时间为2h ；第二，浓硝酸超声处理2h ，浓度为65%，250E II 型超声波，功率和频率分别为250W 和40kHz 。
所有处理工作的结束后，去离子水清洗碳纤维，使其为中性，再在真空中烘干，温度为80℃，直到碳纤维恒重量为止。
1.2复合材料制备采用碳纤维与PF475酚醛树脂制成复合材料预浸布，酚醛树脂与异丙醇制成固成份70%的树脂，使用缠绕法进行制作预浸材，制成纤维含量FAW 100g/m 2，树脂含量RC%37%，用55度将溶剂烘烤至VC%1%以下的预浸材，再将预浸材进行积层堆叠成试片，采用成型温度160度，时间50min 进行加压固化，制成2mm 厚度复材试片。
碳纤维表面处理对复合材料强度的影响【摘要】碳纤维增强复合材料由碳纤维与树脂基体共同组成，碳纤维与树脂基体的表面结合直接影响到复合材料的性能。
本文通过采用不同的碳纤维表面处理方法，对处理后的碳纤维表现进行分析，对复合材料的界面性能进行研究，并用实验测试复合材料的界面结合强度，结果表明，采用低电压，短时间的电化学处理较浓硝酸氧化处理，对复合材料的增强效果的影响更明显。
【关键词】碳纤维表面处理界面性能抗弯强度1 前言与传统金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、体育等领域。
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，它具有乱层石墨结构，其密度仅为钢密度的1/4，具有优异的力学性能，热稳定性，是一种高性能的先进非金属增强材料。
尽管碳纤维性能优异，但，由于其属脆性材料，单独使用，许多性能无法得到充分的发挥。
只有与其它基体材料结合成复合材料，材料性能形成互补，才能有效发挥其优异的力学性能，因此，碳纤维在复合材料中被用作增强相。
用作复合材料的树脂基可分为两大类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。
热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团的高分子量聚合物组成；成型时，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成具有网状交联体结构。
常见的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。
热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在温度超过熔点时熔融，具有流变性，属物理变化。
常见的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。
复合材料的界面由增强材料表面与基体材料表面相互作用形成的，它包含两相之间的过渡区域，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈连续梯度性变化。
界面相的结构由增强材料与基体材料表面的组成及二者之间的反应性能决定的，因此纤维表现处理的结果将影响复合材料的性能。
通过纤维表面处理可以增强纤维表面的化学活性与物理活性，从而增加其与基体间的结合或粘结。
碳纤维表面处理技术分析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。
标签：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。
碳纤维表面打磨方法碳纤维是一种轻质、高强度、耐腐蚀的材料，在航空航天、汽车和运动器材等领域具有广泛的应用。
为了使碳纤维的外观更加光滑、美观，通常需要进行表面打磨。
下面介绍一些碳纤维表面打磨的方法。
方法一：手工打磨手工打磨是最基本的打磨方法，适用于较小的碳纤维零件或表面面积不大的碳纤维板材。
打磨时需要使用砂纸或磨纸轮，先用较粗的砂纸或磨纸轮进行初步打磨，然后逐渐转换到较细的砂纸或磨纸轮进行细致的打磨。
打磨时要保持手工稳定，力度均匀，避免在碳纤维表面留下凹陷或凸起。
方法二：机械打磨机械打磨使用专业的打磨设备，既能提高效率，又能保证打磨的质量。
常用的机械打磨设备包括研磨机、抛光机和砂光机等。
其中，研磨机适用于初步打磨，抛光机适用于细致打磨，砂光机适用于对大面积碳纤维板材进行打磨。
在使用机械打磨时，需要根据碳纤维的特性以及要求的表面质量选择合适的打磨工具和打磨参数，以避免对碳纤维造成损害。
方法三：化学处理化学处理是一种专业的碳纤维表面处理方法，可以有效地消除碳纤维表面的污垢和瑕疵，并使其表面更加光滑。
常用的化学处理方法包括电化学抛光、酸洗、硝酸处理等。
在进行化学处理前，需要了解碳纤维的化学性质以及要求的表面处理效果，以避免对碳纤维造成化学损害或表面毁坏。
需要注意的是，无论采用哪种碳纤维表面打磨方法，都需要严格控制打磨力度和打磨持续时间，以免对碳纤维造成损坏或影响碳纤维的性能。
同时，在进行碳纤维表面打磨时，还需要遵循相关的安全操作规程，戴好手套、口罩、防护眼镜等安全防护措施，以保障人身安全和健康。
总之，碳纤维表面打磨是一项需要专业技术和经验的技术活，需要根据不同打磨材料和要求，选择合适的打磨方法和工具，并掌握正确的打磨技巧和安全操作规程，才能实现理想的打磨效果。
3K纹和UD纹的表面处理方式随着科技的不断发展，碳纤维材料的应用范围逐渐扩大，成为众多领域的热门材料之一。
而在碳纤维制品中，3K纹和UD纹是两种常见的表面处理方式。
本文将分别从实际应用和处理工艺两方面介绍3K纹和UD纹的表面处理方式。
一、3K纹的表面处理方式1. 实际应用3K纹是碳纤维材料的一种常见表面处理方式，主要表现为网格状的纹理，这种表面处理方式被广泛用于汽车行业、航空航天等领域。
其外观美观且具有较好的耐磨性和耐腐蚀性能，因此备受行业青睐。
2. 处理工艺在生产过程中，制作3K纹的表面处理方式主要有以下几个步骤：(1) 原材料准备：选择高质量的碳纤维布料作为原材料，保证其纤维排列紧密。
(2) 碳纤维预浸料处理：将碳纤维布料浸泡在特定的树脂预浸料中，待树脂预浸料充分渗透到碳纤维布料中后，进行烘烤固化。
(3) 表面处理：采用特殊的工艺和设备对已固化的碳纤维制品进行表面处理，形成3K纹的网格状纹理。
二、UD纹的表面处理方式1. 实际应用UD纹是另一种常见的碳纤维表面处理方式，其特点是单向纤维排列，呈现出单一的纹理。
这种表面处理方式常用于航空器、船舶、体育器材等领域，其在抗拉强度和抗弯强度等方面表现出色。
2. 处理工艺UD纹的表面处理方式主要包括以下几个步骤：(1) 原材料准备：同样选择高质量的碳纤维布料作为原材料，确保纤维排列方向一致。
(2) 碳纤维预浸料处理：将碳纤维布料浸泡在预先准备的树脂预浸料中，并进行烘烤固化，以确保树脂充分渗透到纤维中。
(3) 表面处理：通过特殊工艺和设备，对已固化的碳纤维制品进行表面处理，形成单向纤维排列的UD纹。
结论在实际应用中，3K纹和UD纹是两种常见的碳纤维表面处理方式，它们分别在不同的领域有着广泛的应用。
无论是汽车行业、航空航天领域还是体育器材等领域，都能看到它们的身影。
通过上述对两种表面处理方式的介绍，我们可以更加全面地了解碳纤维材料在工艺处理上的特点和优势，促进其在各个领域的更广泛应用和推广。
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。
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)液相氧化法液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。
常用的液相介质有浓硝酸，混合酸和强氧化剂等。
碳纤维表面处理之阳早格格创做碳纤维动做一种具备下强度下模量的进步资料，常常需要与其余基体资料举止复合造备成复合资料举履止用.由于碳纤维自己通过1300℃以上的下温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具备较强的惰性，与下分子树脂等基体举止复适时，纤维与树脂的分离较好，效率纤维劣同力教本能的收挥，并最后效率复合资料的本能.果此正在碳纤维造备历程中，常常需要对付碳纤维举止表面处理，减少其表面的活性基团，巩固与树脂等基体之间的分离..1 表面处理要领由于碳纤维表面处理对付其复合资料本能普及的效率，果此表面处理要领的钻研也是碳纤维造备技能钻研的重面.通过多年的钻研，科研处事者启垦了多种对付碳纤维举止表面处理要领，表列出了不妨对付碳纤维举止表面处理的分歧要领及其效率果素.正在那些处理要领中，暂时应用正在工业化死产上的基础上皆是电解氧化法.表碳纤维表面处理要领战效率果素序号典型处理要领效率果素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、气氛、火蒸气/气氛、NO/气氛时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比率、3 电解氧化氨火、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等火溶液时间、电压、电流稀度、电解量浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电激励散合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 散合物电重积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马去酸酐共散物时间、电压、电流、溶剂、共散物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性散氨酯冰乌树脂组成含量、涂覆量8 下温气相重积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石朱晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面散合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、同氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、气氛、SiC涂层、AN散合时间、真空度、功率、震动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维表露正在气相氧化剂(如气氛、氧等)中，正在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化死成一些活性基团(如羟基战羧基).气相氧化处理不妨灵验普及碳纤维与基体间的界里剪切强度.如将碳纤维正在450℃的气氛气氛中氧化10分钟，所造备的复合资料的剪切强度战推伸强度皆有所普及；采与浓度为0.5-15mg/L的臭氧连绝导进碳纤维表面处理炉中举止表面处理，碳纤维的界里剪切强度可达78-105MPa；氧气气氛中用卤素、二氧化硫等搞压造剂，也可灵验革新表面个性.气相氧化法的便宜是较便当的正在线配套使用，处理速度快，缺面是对付碳纤维的处理匀称性不敷理念，工艺条件苛刻，统造艰易，简单对付碳纤维力教本能爆收较大的益伤，而且有毒有害气体的使用对付环境效率较大..1.2 液相氧化法液相氧化法是利用强氧化性液体大概者溶液，如硝酸、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等对付碳纤维举止表面处理，使其表面爆收羧基、羟基、羰基等含氧基团，进而达到巩固与树脂界里分离的脚法.由于液相氧化法较气相氧化法较为温战，氧化程度较简单统造，阻挡易使纤维爆收太过氧化效率其力教本能，是钻研较多的要领之一.然而该要领由于处理时间较少，很易与碳纤维死产线匹配，通时常使用于碳纤维的间歇表面处理，而且强氧化性液体对付设备腐蚀宽重，也不利于从碳纤维中扫除搞洁..1.3 催化氧化法催化氧化法是利用金属盐类对付碳纤维举止催化氧化，该要领不妨灵验普及表面处理速度，然而由于碳纤维与催化剂很易匀称交战，其氧化匀称性受到效率，而且也存留催化剂扫除艰易的问题.该要领基础只停顿正在钻研阶段..1.4 散合物涂层法电激励散合物涂层、散合物电重积涂层、表面散合物接枝战表面涂覆等要领皆是正在碳纤维表面引进一薄层散合物膜，进而达到与基体树脂匹配的效验.其中电激励散合物涂层、散合物电重积涂层皆是利用碳纤维自己具备导电性的个性，正在电场的效率下正在碳纤维表面激励散合大概者重积散合物，进而引进活性基团，普及与基体树脂的界里分离.表为分歧涂层典型对付碳纤维复合资料本能的效率.通过电化教涂层改性后，碳纤维复合资料的层间剪切强度战抗直强度皆比已处理时有明隐普及，而且正在一些条件下还不妨普及抗冲打强度.然而是那些要领自己本去不真真改变碳纤维表面结构，果此基础不会对付碳纤维力教效率爆收明隐效率.共时根据基体树脂的个性采用符合的单体大概者散合物，不妨较佳天达到普及复合资料本能的脚法.涂层薄度战匀称性统造是那些要领的易面.表电化教涂层对付碳纤维复合资料本能的效率涂层典型层间剪切强度/MPa抗冲强度/kJ/m2抗直强度/MPa马去酸酐/苯乙烯=1：1 68 57 1100 马去酸酐/苯乙烯=2：1 59 72 1100 马去酸酐/苯乙烯=3：1 62 56 1000 马去酸酐/己烯=1：1 61 42 1000 马去酸酐/十八烯=1：1 52 44 910 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量50万）48 86 900 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量75万）59 130 950 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量125万）54 140 860 已处理34 63 780下温气相重积是正在下温条件下将碳化硅、石朱晶须等重积到碳纤维表面，所重积的物量对付树脂起到物理锚定效率，进而减少碳纤维与树脂之间的分离.该要领不妨小批量处理碳纤维，然而真动工业化死产较为艰易..1.5 等离子体法等离子体是具备脚够数量而电荷数近似相等的正背戴电粒子的物量汇集态.用等离子体氧化法对付纤维表面举止改性处理，是指利用非散合性气体对付资料表面举止物理战化教效率的历程.采与矮温等离子大概微波等离子对付碳纤维举止表面处理也是止之灵验的要领，该要领的个性是气一固反应，无传染，处理时间较短，常常几秒钟便不妨达到所需处理效验.等离子体所用气体不妨是活性气体（如氧、氨气、一氧化碳等），也不妨是惰性气体，如氦气、氮气战氩气等.时常使用的氧等离子体具备下能下氧化性，与碳纤维表面碰碰时，不妨将碳纤维微晶棱角、边沿战缺陷等处的碳碳单键结构氧化成含氧活性基团.表为分歧等离子体对付碳纤维处理效验的比较，证明氧等离子体较惰性气体等离子体的劣势.然而是，等离子体的爆收需要一定的真空环境，所以设备搀纯，连绝、宁静战万古间处理具备一定的艰易.表分歧等离子体对付碳纤维处理效验比较等离子体羰基含量酮基含量醚键含量表面碳含量/%表面氧含量/%表面氮含量/%ILSS/MPa氧等离子体氮等离子体氩等离子体.1.6 电解氧化法电解氧化法也成为阳极氧化法，是将碳纤维动做阳极，石朱板动做阳极，正在电解量火溶液中施加曲流电场举止电解氧化处理，使碳纤维表面爆收计性官能团的处理要领.电化教氧化反应条件慢战, 处理时间短，工艺设备较为简朴，可与碳纤维死产线贯串战匹配真止工业化死产.通过统造电解温度、电解量含量战含量、电流稀度等工艺条件不妨真止对付氧化程度以及纤维表面官能团天采用性统造.电解氧化法是暂时碳纤维工业化死产中被广大应用的要领.图9为阳极氧化法对付碳纤维举止表面处理的工艺过程示企图.图9 阳极氧化法工艺过程示企图正在阳极氧化表面处理时由于以碳纤维自己动做阳极，果此正在施加一定电流后，电解液中含氧阳离子正在电场效率下背碳纤维移动，正在其表面搁电死成新死态氧，既而使其氧化, 死成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 共时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀,使得碳纤维自己的表面物理结构爆收变更.采与电化教氧化法, 合理采用电化教氧化拆置是包管真施碳纤维有良佳的表面处理效验的前提条件.正在采用电化教氧化拆置时,要思量的果素包罗阳极的资料、电解量战电流的采用.阳极资料既要导电, 又要耐腐蚀.石朱板具备良佳的导电本能战耐腐蚀性, 正在工业化死产中被广大应用.电解量可用酸、碱大概盐类，如硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等.对付于酸性电解量，火被电解死成的氧本子被碳纤维表面的不鼓战碳本子吸附，并与相邻吸附氧的碳本子相互效率而爆收二氧化碳，进而使石朱微晶被刻蚀.边沿与棱角的碳本子数目缩小，是表面官能团减少的一个要害果素；对付于碱性电解量，氢氧根离子被碳纤维表面的活性碳本子吸附，并与相邻吸附氢氧根的碳本子相互效率而死成氧，进而减少了表面活性碳本子数目.阳极表面处理常常采与曲流电，也有报导采与接流电举止处理，较小的电量不妨得到灵验的处理效验.表为分歧电解量正在10mA/mg电流下阳极氧化处理10分钟后碳纤维表面弛力、极性的变更.表分歧电解量系统对付阳极氧化表面处理效验的效率电解量γ/mN/m γp/mN/m γd/mN/m X p已处理K2CO3/KOHK2HPO4/KOHKHCO3/KOHKH2PO4/KOHNaHSO4/NaOHKHSO4/KOHK2SO4/KOHKNO3/KOHKClO4/KOH.1.7 下能量电子辐照近些年去，下能量电子辐照技能也被用去动做碳纤维表面处理的脚法.下能量电子辐照常常采与Co60γ射线，辐照剂量从几十到几百kGy.由于γ射线具备极下能量（1.17战1.33MeV ）,具备极强的脱透性，果此不妨正在所有温度下无需催化剂存留条件下正在气、固、液资料中激励化教反应，具备无传染、节能等便宜，而且对付碳纤维还不妨正在支卷后举止，大概者对付碳纤维织物举止间接处理，而无需思量织物大小、形状、薄度等.图5.40为利用γ射线对付碳纤维举止处理的拆置示企图.图1为分歧剂量γ射线辐照后碳纤维的表面形貌变更，不妨瞅出辐照后碳纤维表面形貌爆收了很大变更，符合剂量的辐照使得纤维表面沟槽变细变多，有好处IFSS的普及.图5.40γ射线处理碳纤维拆置示企图图1 分歧剂量γ射线处理后碳纤维的表面形貌.2 表面处理效验评介.2.1 表面形貌分解碳纤维通过表面处理后，由于物理、化教及涂层的效率，其表面形貌必定爆收改变.扫描电子隐微镜（SEM）不妨比较曲瞅天反应碳纤维表面处理后表面形貌的变更.采与本子力隐微镜（AFM）不妨瞅察到1μm2天区碳纤维三维坐体形态结构，共时不妨给出表面细糙度的统计数据.图2 为分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌，不妨创造通过表面处理后，碳纤维表面沟槽有所缩小.通过AFM谱图的表面细糙度分解，通过电化教氧化表面处理后，纤维的表面细糙度由于物理化教的刻蚀效率有明隐落矮（图3）.图2 分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌.图3碳纤维的表面AFM图（a:已处理b:碳酸氢铵处理c: 碳酸铵处理d: 磷酸铵处理）.2.2 表面官能团分解通太过歧表面处理的碳纤维，其表面含氧官能团主要有羧基、羟基战羰基.碳纤维表面的含氧官能团不妨用X-射线电子能谱（XPS）、热得重分解（TGA）、电位滴定、酸碱滴定等举止分解.XPS不妨检测碳纤维表面含氧官能团的种类、浓度等，是一种较为敏捷、稳当的要领.普遍通过对付XPS谱图的分峰处理，以O1s/C1s去评介处理效验，共时通太过峰处理，还不妨得到羟基、羧基、羰基等的相对付含量.表为通太过歧条件处理后碳纤维C、O、N等元素的摩我分数，不妨瞅出通过处理后通过表面处理后，纤维表面C 含量落矮，O战N含量普及，O/C战N/C均普及.图4为碳纤维表面XPS谱图及其分峰示企图，其中284.6eV为C-C 的分离能，286.6eV为C-OH的分离能，288eV为C=O的分离能，291为羧基的分离能.碳纤维由于戴有含氧官能团，果此正在真空大概者惰性气氛下，碳纤维的热得重与含氧官能团的数量稀切相闭.普遍正在300-600℃下得重为羧基裂解爆收的CO2，正在600-1000℃下得重为羟基、羰基裂解爆收CO，果此通过TGA分解，不妨定性分解表面处理效验.表碳纤维表面C、O、N等元素摩我分数处理时间C1s/% O1s/% N1s/% O/C N/C已处理90s120s150s图4 表面处理后碳纤维XPS谱图及分峰处理.2.3 表面微晶结构分解碳纤维经表面处理后，由于纤维表层氧等的分离以及刻蚀效率，纤维表层石朱化程度落矮，石朱微晶变小.由于推曼光谱分解中激光对付碳纤维的脱透深度为几十纳米，对付纤维举止推曼光谱尝试也是灵验表征碳纤维表层石朱化程度变更.通过表面处理之后, D 峰战G峰均有一定程度的分启，半下宽减小, 而且二峰的推曼峰位背下波数沉微偏偏移（图5）.图5 表面处理后碳纤维的推曼光谱及其分峰处理XRD是钻研碳纤维汇集态结构最时常使用的要领.将碳纤维磨成粉终举止XRD扫描可正在一定程度表征由于纤维表层石朱晶体结构变更引起的完全晶体结构的变更，然而那样无疑落矮了尝试的敏捷度.利用XRD表征碳纤维表面处理效验需要采与其纤维附件对付纤维完全举止XRD尝试，通过比较处理前后的纤维晶体结构变更去间接衡量处理效验..2.4 表面能分解碳纤维表面处理后，表面能减少，能隐著革新碳纤维与火、有机溶剂以及基体树脂之间的潮干性，使交战角缩小.表面能的测定常常通过测定交战角，再根据极化圆程去预计.那种要领所用仪器简朴、支配烦琐，是测定碳纤维表面处理后潮干性变更的一种灵验要领.表为表面处理前后碳纤维浸润性战交战角的变更.图6为分歧表面处理后碳纤维的交战角变更，对付于已处理的碳纤维战石朱纤维，测得的交战角分别为104战115o.随表面处理时间延少，潮干性普及，交战角缩小.表碳纤维表面浸润性变更已处理等离子体阳极氧化浸润删量/mg交战角θ/o图6 分歧表面处理后碳纤维表面交战角的变更.2.5 与树脂分离本能分解碳纤维表面处理效验最间接灵验的表征要领是层间剪切强度（ILSS）大概者界里剪切强度（IFSS）的尝试.碳纤维的层间剪切强度尝试要领按国标GB3357-82举止，尝试样品纤维体积含量60%安排，尺寸为少*宽*薄=10mm*5mm*2mm，尝试跨距5mm，加载速度10mm/min，每个样品尝试10次，与仄衡值.ILSS预计公式为：其中P为断裂背荷，b为样品宽度，d为样品薄度.IFSS数值与所用树脂体系、纤维体积含量、单背板纤维排布、清闲率等稀切相闭.采与环氧6101树脂体系，常常碳纤维的ILSS应达到90MPa以上，而采与环氧AG80体系，ILSS则应正在120MPa以上.该要领是对付碳纤维处理效验最间接灵验的评介，然而对付样品造备央供较下，需要碳纤维样品量较多.界里剪切强度IFSS是其余一种不妨曲瞅表征碳纤维表面处理效验的参数.普遍以纤维单丝形式举止尝试，并利用数教模型预计得到纤维战树脂之间的IFSS.尝试要领有单丝断裂法、单丝拔出法、微脱粘法、单丝顶出法等，那些要领的便宜是所需样品量少，然而尝试得到的IFSS值受样品造备、数据剖析等的效率较大，分歧要领得到的数值好别较大.单丝断裂法是将一根纤维埋进树脂中造成推伸试样，通过对付试样举止推伸，纤维正在试样中爆收碎裂，利用纤维强度战碎裂少度预计IFSS.该要领是鉴于单纤维复合资料正在蔓延历程中，当复合资料蔓延率达到纤维断裂蔓延率时，纤维爆收断裂.当纤维-基体界里爆收益害，推伸应力将不克不迭传导到纤维上，纤维断裂终止，断裂少度达到鼓战时纤维少度为临界少度.界里剪切强度由纤维临界少度、纤维曲径战纤维的推伸强度预计得到.单丝拔出法是将纤维单丝一端埋进树脂中，利用单丝推伸设备将纤维从树脂中拔出，通过拔出应力以及纤维曲径、埋进深度预计IFSS.单丝拔出法的样品造备极为闭键，过少的包埋深度常引导纤维正在受推历程中自己断裂而不是纤维从基体中拔出, 所以埋置深度一定要小于rσ/(2τ) , 其中σ为纤维抗推强度, r为纤维半径,τ为界里剪切强度，而太短又效率尝试的准确性.微脱粘法是将树脂滴正在碳纤维单丝上产死树脂微球，利用钳心卡住树脂微球而对付纤维举止推伸处理，使纤维从微球中脱粘拔出.正在脱黏历程中沿碳纤维/树脂基体产死的界里目标上爆收剪切应力，界里剪切强度预计公式为τ=F/πD f Le.式中τ为复合资料界里剪切强度，F为小球爆收脱黏时最大载荷，D f为碳纤维曲径，Le为埋进少度.埋进少度过少，纤维/树脂间剪切强度超出了碳纤维单丝强度，此时碳纤维爆收断裂与代微球脱黏成为主要的益害办法；而埋进少度过矮，树脂基体正在碳纤维表面铺展时产死的微球曲径小，上下剥离刀片产死的钳心易以夹持，尝试时易滑脱.果此，使用微脱黏法测界里剪切强度时，采用尝试微球的曲径宜统造正在40～80 μm.利用微脱黏法测得复合资料的界里剪切强度数值具备较大的分别性，那与纤维表面产死树脂微球的半月板天区、脱黏历程中上下刀片产死的钳心及碳纤维表面形态结构等果素有闭.单丝顶出法使用脆硬的金刚刚石压头将碳纤维从树脂中压出，界里剪切强度预计公式为τ= F/ ( 2πRL )，其中τ为复合资料界里剪切强度，F为顶出载荷，R为碳纤维半径，L 为顶出距离.正在顶出历程中思量的果素较多（如残存应力、摩揩果子等），存留主要问题是顶出历程中正在笔曲于滑移目标爆收的侧背力数值易以预计..3 表面处理对付碳纤维本能的效率碳纤维通过表面处理后最间接的效率是普及了纤维与树脂间的界里分离本能，不妨使得复合资料的剪切强度有明隐普及.常常碳纤维通过表面处理后，由于物理化教的刻蚀等本果，碳纤维强度会有所落矮，特天是正在处理程度较下时，纤维强度下落明隐.也有报导通过符合表面处理后，由于表面刻蚀使得纤维表面缺陷尺寸缩小，碳纤维强度不妨有一定普及.碳纤维的表面处理常常对付模量基础不效率.对付与阳极氧化表面处理，由于碳纤维正在阳极氧化历程中动做阳极，通电时纤维表面匀称搁出氧气，随电流稀度减少，相映的氧气搁出量减少使碳纤维上的单薄面受到刻蚀，纤维强度出现落矮.表为碳纤维通过阳极氧化后单丝强度及品量变更.电流稀度小于5mA/cm2时，纤维强度基础稳定，电流稀度继承减少，纤维强度有一定下落.碳纤维通过表面处理后，纤维品量出现耗费，随着电流稀度的普及，品量益坏删大.表碳纤维通过阳极氧化后的单丝强度及品量变更电流稀度/mA/cm2推伸强度/GPa CV/% 品量益坏/%0 0510利用等离子体举止表面处理使得碳纤维强度普及有较多报导.表为几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维本能的变更.等离子体表面处理后碳纤维强度普及大概是由于纤维表面细晶化效率及表面缺陷细化的截止.表几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维推伸本能样品推伸强度/MPa 断裂伸少/%Hercules allylcyanide 100W,5min 3460Hercules allylcyanide 200W,5min 3430Hercules allylcyanide 300W,5min 3780Grafil untreated 3340Grafil allylcyanide 100W,5min 3820Grafil allylcyanide 200W,5min 3950Grafil allylcyanide 300W,5min 3650Grafil xylene/air/argon 200W,20min 3350碳纤维通过表面处理后其电本能也会所变更.由于通过表面处理后，纤维中有一部分碳元素被氧化成羟基、羧基战羰基.氧本子上戴有部分背电荷，而碳本子上戴有部分正电荷.戴有正电荷的碳本子能俘获电子，对付电子的迁移有阻拦效率，进而落矮碳纤维的导电性.。
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。
学院：材料科学与工程学院研究方向：炭纤维及复合材料题目：炭纤维表面处理研究进展炭纤维表面处理研究进展摘要：本文简单介绍了炭纤维的表面性质，比如比表面积、粗糙度、表面化学结构、表面的润湿性，并针对国内外对炭纤维进行表面处理的气相氧化法、液相氧化法、电化学氧化法等方法进行论述，以及SEM、TMA、ILSS、XPS等表征手段进行分析，由于界面表征手段的多样性，和界面作为另一新相的特点，对未来研究工作的研究重点进行论述。
关键词：炭纤维；表面处理；表征方法；复合材料1. 前言℃）—1400℃）—3000℃）上图为制取沥青基炭纤维的整个过程，但是炭纤维一般很少直接应用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用，由于在高温惰性气体中炭化处理，随着非碳元素的逸走和碳的富集，使其表面活性降低，表面张力降低，与基体的润湿性变差。
此外，为了提高炭纤维的拉伸强度应尽可能的减少表面缺陷，因此比表面积也较小，一般不超过1㎡/g。
这样平滑的表面与基体的锚定效应也较差，导致复合材料的层间剪切强度的降低，达不到实用设计的要求，为使炭纤维表面由增液性变为亲液性，就要对炭纤维表面处理使它的ILSS由55—70MPa提高到90MPa或95MPa，因此对炭纤维进行表面处理是使炭纤维用于实际投入市场的关键步骤，使性能达到实用和设计的要求。
石墨纤维更需要表面处理。
2 炭纤维的表面性质2.1 炭纤维的比表面积和表面粗糙度对于高性能炭纤维，比表面积一般在1㎡/g以下，活性比表面积更小。
经过表面处理后，活性表面积显著提高，炭纤维几乎提高2倍，ILSS也随之提高很多2.2 炭纤维的表面化学结构炭纤维表面不仅有焦油污染物而且含活性基团较少，表现出憎液性，表面处理时，不仅氧化刻蚀除去表面沉积物，而且进行表面氧化而引入含氧基团，呈现亲液性，化学反应历程如下:由C-H氧化成羟基进而成羰基最后氧化成羧基。
处理后引入含氧官能团，表面含氧量显著增加，对水的润湿性大幅度提高，最终导致复合材料ILSS的显著提高。
2.3 炭纤维表面的润湿性液体润湿固体表面的基本条件是固体表面张力大于液体，即固体有高的表面能，液体为低的表面能，处理后，改善了表面化学环境，提高了表面能，使润湿性能得到提高，表面引入不同的原子而改善润湿性的顺序为：N>O>I>Br>Cl>H>F润湿后接触角越小润湿性越好。
3 炭纤维表面处理国内外对炭纤维的改性处理非常活跃，主要的改性方法有氧化处理，表面涂层处理和等离子处理。
对炭纤维进行表面氧化的方法主要有液相氧化法气相氧化法和电化学氧化法等。
其中, 液相氧化法因其设备简单、处理条件容易、处理效果明显, 已被广泛的采用。
3.1 阳极电解氧化法电化学氧化法是炭纤维作阳极置于电解质溶液中，目前这种方法技术比较成熟，氧化过程缓和，反应易于控制，操作弹性大，适于在线配套，国外的很多公司均采用此法。
电解质可以是酸、碱或盐类，其中酸可以是无机酸类有硝酸、硫酸、磷酸和硼酸等；碱类可以是氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化镁等；盐类有硝酸钾、磷酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸铵、磷酸二氢铵、硫酸铵、硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵等等。
其中，硝酸或碳酸铵、碳酸氢铵的表面处理效果最好。
目前国内外对电化学氧化法的研究颇多，如山西煤化所的刘鸿鹏等研究了电化学氧化处理对炭纤维表面石墨微晶尺寸的影响，北京化工大学的刘杰等发现适度的电化学氧化处理不仅可以提高复合材料的力学性能，还可以增加纤维的拉伸强度，并提出“物化双效”机理。
但他们的研究主要集中在炭纤维电化学处理前后表面官能团和粗糙度的变化，极少涉及电化学处理对炭纤维表面浸润性的影响，而且目前炭纤维表面浸润性的研究一般通过分析纤维在各种溶液中的接触角来实现，测量精度极难保证。
中国科学院炭材料重点实验室的崔荣庆等人以硫酸铵为电解质，对炭纤维进行连续电化学氧化处理，利用反气相色谱研究电化学氧化处理前后的表面能变化，并联系SEM、AFM、XRD、Raman、XPS等测试结果综合分析电化学氧化处理对炭纤维表面性能的影响。
研究表明，经电化学氧化处理后，纤维沿轴方向表面沟槽加深加宽，薄弱层被剥除，晶格择优取向遭到破坏；纤维表面活性官能团增多，氧和氮含量分别增加了180％和65％，提高了纤维与树脂的粘结性；纤维表面能提高了3.1倍，与树脂的浸润性得到改善；电化学氧化处理后其复合材料的ILSS达109MPa，已可充分满足实际应用需求。
本实验采用反气相色谱直接、准确地测量表面能，并联系表面处理前后纤维表面粗糙度、晶格尺寸和化学组成变化情况，综合考察电化学处理对炭纤维及其复合材料的影响。
ＸＰＳ分析结果表明，电化学氧化在纤维表面引入Ｃ－Ｏ、Ｏ－Ｃ－Ｏ、Ｃ＝Ｃ和－ＣＯＯＨ等活性官能团，使纤维极性表面能增大，采用反气相色谱和ＴＧ对纤维表面的浸润性进行测试，发现经电化学氧化处理后纤维表面能由52.61mJ/㎡增加到21722mJ/㎡，色散表面能和极性表面能都有一定程度的增加，而且极性表面能的增长率更大，电化学氧化处理增强了纤维与树脂的浸润性，有助于提高复合材料的力学性能，以致于最终复合材料的层间剪切强度达109MPa，能充分满足复合材料的实际需要。
下图为SEM 和AFM图可以看到：(1)电化学氧化处理前的炭纤维表面较为平整，沿纤维轴向沟槽较浅；（2）经过电化学刻蚀后的纤维表面轴向沟槽变深变宽，并有凹凸不平的颗粒状突起出现，表面粗糙度从7.19nm增大到20.14nm。
电化学刻蚀后纤维表面沟槽的变宽和加深提高了纤维表面粗糙度，增大了纤维比表面积，增强了纤维与树脂之间的锚定效应，有利于提高复合材料的界面性能。
3.2 气相氧化法气相氧化法是在一定的条件下，采用氧化性的气相介质对炭纤维表面进行处理的方法，常用的介质有臭氧、氧气、空气等，在炭纤维表面处理的过程中，一般通过改变氧化时间、氧化温度和氧化介质浓度等工艺参数来控制纤维的氧化程度，以达到最佳的处理效果。
采用臭氧氧化的方法对炭纤维的表面处理目前使用比较广泛，但是氧化反应的程度不易控制，容易向纤维纵向氧化，导致纤维强度的严重下降。
目前发现使用氧气作为氧化介质也是可以对炭纤维进行表面处理的。
3.3 表面涂层处理表面涂层处理即炭纤维上浆，炭纤维表面上浆技术是炭纤维/聚合物基复合材料制备中的关键技术，上浆的优劣关系到复合材料中炭纤维与聚合物集体界面结合强度的大小，从而决定复合材料综合性能的高低。
优异的上浆工艺能在炭纤维表面形成均匀、稳定的聚合物包裹层，有利于基体聚合物对炭纤维表面的润湿。
炭纤维表面惰性很大，即使通过各种表面化学处理，也难以被水或有机液体完全润湿。
传统的浸泡上浆技术就是在大量表面活性剂的辅助下，使上浆剂溶液或乳液润湿碳纤维表面，达到上浆的目的。
这种方法需要利用大量表面活性剂，对复合材料界面粘接不利，而且浆液容易吸附在纤维间歇中，导致上浆不均匀。
我们实验室采用微液滴上浆技术，利用微液滴具有很高的表面能，其对纤维材料的接触和粘附是一个表面自由能降低的过程，本技术利用这一特性，将上浆剂溶液或乳液雾化成微液滴气溶胶，然后喷射到纤维上，使微液滴自发包裹纤维形成“珠串”形状，从而实现上浆。
本技术具有以下特点：（1）适应性广，受上浆剂和炭纤维的表面性质影响很小，只要能形成溶液或乳液就可以用作上浆，未经表面化学处理的惰性碳纤维也可以顺利上浆；（2）可以不使用或仅使用很少量的表面活性剂就能实现微液滴对纤维的包裹；（3）通过调整上浆剂溶液或乳液浓度，可以很方便的控制上浆量。
4. 表面处理效果表征方法复合材料的界面表征是目前界面研究问题中的一个难题。
对炭纤维表面处理的目的是为了炭纤维与树脂基体做成复合材料的界面可以很好的粘合，并且其力学性能满足实用和设计的要求。
但是表面处理后的粘合效果是否理想，目前还没有一个有效的表征方法，对界面如何合理有效的表征是研究的重点。
虽然目前先进的测试设备和技术已经可以很好的观察到界面的微观结构，但是界面是一个新相，其微观结构与宏观性能的关系并不是一个或两个参数就可以简单的描述的，因此是目前研究的一个难题。
对于炭纤维虽然表面处理后有较深且明显的沟槽有利于与基体的机械嵌合，而且表面由惰性基团变成了亲液性基团，但是对于这种亲液性基团是否就可以提高与复合材料的粘结性，以及层间剪切强度可以得到提高，仍然有待于用一种合理有效的表征手段对其进行表征研究。
4.1 扫描电子显微镜用SEM可以很好的观察纤维表面的形貌特征，观察纤维表面处理前后的形貌变化，而且我们实验室有一套软件可以测试纤维表面的粗糙度，对纤维表面处理前后的形貌进行定量分析和表征。
下图分别为用SEM和AFM观察炭纤维经电化学氧化处理前后的结果图。
4.2 动态力学热分析我们实验室可以利用TMA对炭纤维处理前后进行动态力学的热分析，分析处理前后炭纤维的储能模量的变化情况，北京化工大学的刘杰等人对经电化学氧化的炭纤维进行了动态力学热分析，DMTA 谱图中经电化学氧化处理的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 其损耗角正切( tanW) 较未处理的降低30% , 玻璃化温度( Tg) 与tanW峰值的变化可以有效地表征PAN基碳纤维表面处理的效果，经定量计算出的界面粘结参数A和T与CFRP 的层间剪切强度( ILSS) 所反映的碳纤维与树脂间界面粘结效果是一致的。
4.3 XPS分析利用XPS对炭纤维表面进行元素的分析，观察表面的含氧基团变化，北京化工大学刘杰等人利用XPS 分析炭纤维表面化学成分, 结果表明炭纤维经电化学氧化处理后, 其表面羟基含量增加了55% , 活性碳原子数增加了18% , 改善了纤维与树脂基体间的粘结性。
目前对炭纤维处理前后的表征方法中，不管是润湿角的测定还是粗糙度的测定或者以上的表征方法都是在不断的研究和探索阶段，对炭纤维表面是活性碳原子还是所形成的环里边的惰性碳原子，以及亲液性基团是否就是会与树脂基体形成键，又该如何表征，润湿角的测定，粗糙度的测定（实验室的SEM可以测定但是不太精确）等一系列问题亟待解决。
对炭纤维树脂基体复合材料的层间剪切强度的测定是研究炭纤维复合材料界面的一个很重要的方法，目前一直是科学工作者研究的兴趣，但是到目前为止，有很多测定剪切强度的方法，都有一定的局限性，没有一种可以很好的表征手段。
我们实验室袁老师正利用万能拉伸机对炭纤维复合材料测定剪切强度，期望从单根纤维处断裂，分析断裂处的应力-应变曲线，然后利用有限元分析所受的应力，对层间剪切强度进行模拟分析。
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