碳纤维表面处理技术研究进展

摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。

1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。

最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。

T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。

高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。

目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。

碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。

根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。

T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。

由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。

2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。

2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。

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。

随着汽车向安全舒适、绿色环保与高速重载等方向发展，对制动系统中的关键零部件刹车片提出了更严苛的性能要求；尤其在高温、高速工况时，要求摩擦材料保持良好的热稳定性、可靠性、耐久性以及舒适性。

因此，提高制动摩擦材料在高温下的摩擦磨损性能，是满足现代汽车工业对制动摩擦材料使用性能要求的关键]。

摩擦材料是多元复合材料，主要由有机粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料四大组分组成。

其中，增强纤维赋予制动摩擦材料优良的摩擦磨损性能和适宜的机械性能，可用于树脂基摩擦材料的增强纤维主要有PAN基碳纤维、芳纶纤维以及玻璃纤维等，其中PAN基碳纤维因具备众多优异性能而广泛使用于航空航天、军事装备、建筑、交通运输以及文体等领域。

PAN基碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维性能对比如表1所示，可看出PAN基碳纤维的拉伸强度与拉伸模量远超芳纶纤维和玻璃纤维。

PAN基碳纤维作为增强纤维以提高摩擦材料的性能，已成为新型摩擦材料的研究热点。

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）摘　要：碳纤维作为一种高性能的增强纤维，在先进摩擦材料增强体中占据十分重要的地位。

基于此，综述了树脂基摩擦材料中碳纤维的表面处理方法、碳纤维以及碳纤维与其他纤维的协同效果对树脂基摩擦材料性能影响的研究，总结了碳纤维增强树脂基摩擦材料中存在的部分问题。

关键词：碳纤维 树脂基摩擦材料 摩擦磨损性能表1　PAN基碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维性能对比型号拉伸强度σ/GPa拉伸模量E/GPa断裂伸长δ/%密度ρ/（g/cm3）T800H 5.49294 2.0 1.81 T1000G 6.37294 2.2 1.80 Kevlar-29 2.8263.2 3.6 1.44 Kevlar-49 3.82126.6 2.4 1.44E玻璃纤维 2.3～2.678～82 2.5～4 2.59～2.63碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理得到的微晶石墨材料，它的含碳量一般在93%以上。

碳纤维表面改性(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--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。

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。

博览I成果简报Review Achievements高模量碳纤维表面处理技术研究取得新进展由于碳纤维表面惰性，复合材料中碳纤维和基体材料间应力载荷无法有效传递，直接影响其性能发挥，限制其规模化应用，工业主要采用阳极氧化法来解决这一问题。

高模量碳纤维具有表面晶面尺寸更大、刚性更好、抗弯折性更差、表面惰性更突出的特性（见图1），采用传统的阳极氧化法进行表面处理，不仅毛丝、断丝多，而且表面处理效果不均匀，反映在复合材料中界面结合性能明显偏弱。

日前，中国科学院山西煤炭化学研究所碳纤维表面工程课题组在表面改性方面取得新进展。

该课题组采用新型非接触电化学处理方法处理高模量碳纤维，经工艺设计及工艺条件优化，可实现良好处理效果并有效减少导丝辊对纤维丝的磨损，建立了高模量碳纤维的连续化表面处理试验线。

据连续试验线效果统计：（1）该工艺对高模量碳纤维无明显损伤，可大大减少高模量碳纤维在表面处理过程中的毛丝、断丝发生量；（2）表面处理后，碳纤维表面元素含量均匀（图2）、可调控；⑶经评价与环氧树脂界面剪切强度值提高55.2%；（4）经第三方单位评价，环氧树脂复合材料层间剪切强度可达80Mpa，弯曲强度可达340MPa，均明显高于目前国内外报道值。

该方法克服了传统阳极氧化方法的固有缺陷，工艺环境友好，为高性能碳纤维，特别是高模量碳纤维的连续化制备及其应用提供了全新的思路和技术。

该研究成果已在2019年度的SAMPE会议上以□头报告的形式进行了介绍。

OriMVUtion1500°C Carbonization2nm2500°C Graphitization816nm 图1高强度碳纤维（左）与高模量碳纤维（右）的结构特征差异日期时间岛放大倍数爲3/25/20198:29:48PM15.0keV15000*9.8mm图2经新型表面处理后高模量碳纤维表面的元素m a pping分析（中科院山西煤炭化学研究所）652019年第3期•总第106期。

碳纤维表面化学镀镍工艺的技术分析碳纤维作为一种全新的高模量和高强度材料，具有与金属镁相当的密度以及良好的导电性能与力学性能，适用于镁基复合材料增强体，可以对复合材料的力学性能进行改善，达到很好的工艺效果。

通常采用碳纤维表面化学镀镍工艺技术，可以借助活化、敏化、粗化等预处理手段，对碳纤维表面的结构与状态加以改变，促进其表面活性的提高。

本文就对碳纤维表面化学镀镍工艺的技术进行分析和探讨。

标签：碳纤维表面；化学镀镍；工艺技术碳纤维具有较强的拉伸模量和抗拉强度、良好的耐热性等，是多种复合材料的增强相，其表面防护层材料的制备工艺及选择方法研究，已经成为复合材料研究的热点问题。

通常基于碳纤维的复合材料具有较小的密度和热膨胀系数、优异的强度和刚性、良好的导电性等，如果复合材料中的碳纤维体积分数达到20%～30%，其体积电阻率会下降10?·cm，而在碳纤维表面镀覆盖金属，可以很好地满足电磁屏蔽及轻质导电等应用要求。

1 实验部分本文在碳纤维表面处理中采用化学镀镍的方式，对镀层性能进行讨论和测试。

首先，原材料。

①碳纤维：σb为3.90GPa，ρ为1.78g/cm3，d为6～8μm，热膨胀系数为-0.41×10-6°C-1（轴向），弹性模量为220GPa。

②化学试剂：氨水、氯化铵、氯化亚锡、次磷酸钠、硫酸镍、柠檬酸钠、盐酸、浓硝酸（65%）、氯化钯。

其次，前处理。

碳纤维表面的状态直接关系到化学镀镍层的质量，即便选用相同的化学镀镍工艺，如果碳纤维表面状态不同，最后获得的镀层性能也会有所不同。

通常化学镀镍工艺具有如下流程：碳纖维表面的粗化—敏化—活化—化学镀镍。

2 正交试验要想达到化学镀镍的最佳工艺条件，设计出正交试验表L16（44），由正交试验中碳纤维化学镀镍层试样可以知道：16个试样的化学镀镍层外观形貌可分为以下几类：①色泽呈暗灰色，试样9～16和5；②色泽层黑色，试样1、3、4、6、7、8；③色泽层亮银白色，试样2。

简析碳纤维金属化镀镍的研究进展引言碳纤维(Carbon fiber)是由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶纤维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量在90%以上的纤维。

碳纤维具有比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。

由于这些优良的性能，使碳纤维在许多领域得到广泛的应用。

碳纤维作为增强材料使用性能是非常理想的，在航空航天、生物材料、民用军用和工业领域都有许多应用，但是碳纤维与某些金属的润湿性不好，容易发生固溶反应，化学相容性不好等缺点，使碳纤维的应用范围受到一定限制。

而为了得到性能良好的碳纤维复合材料，表面金属化处理是最常用的方法。

以碳纤维为增强材料，金属为基体制备的碳纤维增强金属基复合材料具有比金属材料更高的比强度和比模量，也具有比陶瓷更高的韧性和耐冲击性能。

而这类复合材料的基体一般为镁、铝、镍、钛以及它们的合金。

目前，碳纤维增强镁、铝复合材料的制备技术已经非常成熟。

表面金属化的碳纤维可以作为隐形材料用在军用飞机的骨架和蒙皮上，作为耐高温材料用在航天飞机的鼻锥和机翼前沿等高温部件。

除此自外表面金属化的碳纤维在小型大容量电容器、磁性薄膜、电子设备的电磁屏蔽膜以及制造各种功能性元器件等方面都具有较广泛的用途。

1 碳纤维金属化镀镍的意义碳纤维金属化镀镍可以活化碳纤维表面，可以有效地减小碳纤维与金属溶液的接触角。

在制作碳纤维增强金属基复合材料时，金属基体可以直接与镀层接触而不是碳纤维，这能使基体金属能够很好的润湿碳纤维表面，镀镍层作为阻挡层也能有效地防止基体与碳纤维在复合材料制备和使用过程中发生固溶反应，化学反应造成碳纤维强度损伤和在界面生成脆性相。

镀层也可以使基体与纤维有效地结合，有效地传递载荷。

1.1 提高碳纤维与基体的相容性碳纤维与金属镁的物理相容性和化学相容性不好，在制作复合材料时碳纤维与熔融的镁容易发生化学反应生成脆性相和发生碳化、固溶反应。

这些反应直接影响了复合材料的使用性能。