碳纖維表面處理對復合材料強度的影響 zund G3 XL-1600-Carbon fiber台中切割加工－林家弘焦點新聞熱搜

【摘　要】碳纖維增強復合材料由碳纖維與樹脂基體共同組成，碳纖維與樹脂基體的表面結合直接影響到復合材料的性能。本文通過采用不同的碳纖維表面處理方法，對處理后的碳纖維表現進行分析，對復合材料的界面性能進行研究，并用實驗測試復合材料的界面結合強度，結果表明，采用低電壓，短時間的電化學處理較濃硝酸氧化處理，對復合材料的增強效果的影響更明顯。
【關鍵詞】碳纖維表面處理界面性能抗彎強度
　　1　前言
　　與傳統金屬材料相比，碳纖維增強樹脂基復合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質量輕、機械強度高的優點，被廣泛應用于航空航天、軍事、汽車、體育等領域。
　　碳纖維是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化和石墨化制成的纖維狀碳，它具有亂層石墨結構，其密度僅為鋼密度的1/4，具有優異的力學性能，熱穩定性，是一種高性能的先進非金屬增強材料。
　　盡管碳纖維性能優異，但，由于其屬脆性材料，單獨使用，許多性能無法得到充分的發揮。只有與其它基體材料結合成復合材料，材料性能形成互補，才能有效發揮其優異的力學性能，因此，碳纖維在復合材料中被用作增強相。
　　用作復合材料的樹脂基可分為兩大類，一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預聚體或帶有活性基團的高分子量聚合物組成；成型時，在固化劑或熱作用下進行交聯、縮聚，形成具有網狀交聯體結構。常見的有環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成，在溫度超過熔點時熔融，具有流變性，屬物理變化。常見的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯等。
　　復合材料的界面由增強材料表面與基體材料表面相互作用形成的，它包含兩相之間的過渡區域，界面相內的化學組成、分子排列、熱性能、力學性能呈連續梯度性變化。界面相的結構由增強材料與基體材料表面的組成及二者之間的反應性能決定的，因此纖維表現處理的結果將影響復合材料的性能。
　　通過纖維表面處理可以增強纖維表面的化學活性與物理活性，從而增加其與基體間的結合或粘結。目前，對纖維表面處理主要有空氣氧化法、液相氧化法、等離子體氧化法和電化學氧化法等方法。本文采用濃酸氧化處理、電化學處理方法對碳纖維表面進行處理，并利用SEM對比觀察了處理前后纖維表面的形貌，研究碳纖維增強復合材料性能的影響。
　　2　實驗方法及條件
　　2.1 碳纖維表面處理過程
　　2.1.1 濃硝酸氧化處理
　　將一定長長的碳纖維置于濃硝酸溶液中，在室溫條件下分別處理30、60、90分鐘，然后經自來水、純凈水清洗數遍，干燥，既得到表面處理后的碳纖維。
　　2.1.2 電化學表面處理
　　配制一定濃度的稀酸溶液作為電解液，將清洗過的碳纖維作為陽極，在電解槽內進行陽極氧化表面處理，通電電壓分別取1.2V、4.8V、10V和15V，處理時間為5min和10min，之后再經清洗、干燥，得到表面處理后的碳纖維。
　　2.2 抗彎強度測試
　　將表面處理的碳纖維與樹脂粘結，熱處理后，固定在沉積爐的兩個電極上，通電加熱至800～1100℃，沉積時間4～6h。
　　將試樣加工成5mm×5mm×30mm，每組5個，采用三點彎曲法測試試樣的抗彎強度，取5個數值的平均值作為每組試樣的測試結果。
　　3　試驗結果及討論
　　3.1 濃硝酸表面處理時間長短對復合材料單向抗彎強度的影響
　　從表1中可以看出，碳纖維處理60分鐘后，所制備的復合材料強度增幅大，30分鐘下，強度基本沒變，90分鐘強度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纖維表面的漿層，對纖維的強度沒有明顯的影響。復合材料強度的提高是因為表面漿層除去后，纖維表面的粗糙度增加，增加了快速升溫過程中熱解碳與纖維的親和力和粘結強度。
　　3.2 電化學處理對復合材料抗彎強度的影響
　　碳纖維電化學處理過程易操作，（表2）為纖維表面電化學處理不同條件下單向復合材料的強度值，從處理結果可見，處理電壓和時間變化對制備的復合材料的抗彎性能影響較大。在電壓4.8V、10min處理條件時，由處理纖維制備的復合材料的抗彎強度比未處理的低3.6MPa，且電壓升高至10V時，復合材料抗彎性能進一步惡化。
　　（圖1）為不同處理碳纖維所制備的復合材料抗彎強度變化曲線，從中可以得出，采取5分鐘處理，復合材料抗彎強度變化均勻，基本呈線性降低，而10分鐘處理后，材料強度隨電壓增大降低幅度增大，這說明短時間電化學處理對纖維表面作用較溫和，且處理效果隨電壓的增大，10分鐘處理較5分鐘處理強度降低幅度較大。這是由于高壓長時間處理條件下，纖維表面破壞較嚴重，從而使得復合材料的力學性能下降。
　　4　結論
　　（1）碳纖維表面經濃硝酸處理后，表面漿層去除，溝槽進一步加深加寬，表面粗糙度和比表面積增加，有利于復合材料的抗彎強度的提高。但處理時間過長，纖維表面出現不同程度的損傷，這對提高材料強度是不利的。
　　（2）通過對纖維表面電化學處理的研究得知，采用低電壓，短時間的處理條件，對碳纖維表面較溫和，有效地提高了Cf/C復合材料的抗彎性能；高電壓或長時間處理時，纖維表面出現“松樹皮”狀凸起，此時纖維本體受損嚴重，降低了復合材料的力學性能。
　　（3）對比濃硝酸氧化處理，電化學處理時間短，增強效果較明顯，電化學對纖維表面作用包含至少除去薄弱外層和表面氧化刻蝕兩種機理，甚至過程更為復雜。

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