碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展.docx
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1、碳纤维增加环氧树脂基复合材料讨论进展摘要:介绍了碳纤维增加环氧树脂基复合材料的复合结构及体系特性,复合体系的机械性能和复合工艺,复合界面结构的一些表征方法及增加的机理,纤维素表面处理的一些常用方法,以及EP/CF复合材料的一些应用。关键词:表面处理、增加机理、界面表征、复合工艺、应用前言:环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增加复合材料的一个重要分支。近年来,随着人们对EP/CF复合材料熟悉的不断深化,其优异的性能不断凸现,促使其用量不断提升。20世纪70年月以前,EPCF复合材料被视为昂贵的材料,价格约为玻璃纤维(GF)增加复合材料的10倍,只用于军工、宇航等尖端技术行业。20世纪
2、80年月以后,CF工业和EP工业快速进展,EP/CF复合技术不断进步,加入到EP中的CF比例不断提升,目前CF的体积分数已可达60%以上,使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降,拓宽了其应用领域,进一步促进了EP/CF复合材料的进展。1 .碳纤维的表面处理碳纤维复合材料的层间剪切强度一般较差,这是由于碳纤维与树脂之问的粘接力较差所致。为了改善碳纤维复合材料的界面粘接性能.必需对碳纤维表面进行处理。表面处理可起到以下3种作用。第一,防止弱界面层(WeakbOUndaryIayer)的生成。作为WBL有:所吸附的杂质、脱模剂等;界面层老化时形成的氧化层、水合物层等;与基体的不充分浸润而所束缚的空
3、气层等。其次,产生适合于粘接的表面形态,使增加材料表面生成凹凸,通过抛锚效应而提高界面粘接性能,但凹凸过多粘接也不好,所以应作适当调整。第三,改善树脂和增加材料的亲合力。例如,增加材料和树脂的极性差异很大时,在增加材料表面涂上极性中等的掩盖剂;还可以在表面上进行化学处理,导入一些官能团而提高界面粘接性能等。目前常用的表面处理方法有以下几种:1.1 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、O3等)中,在加温、加催化剂等特别条件使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和竣基)。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的CFRP,弯曲强度、弯曲模量、界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(HSS)
4、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。采纳空气氧化时,氧化温度对处理效果有显著影响。王玉果等对碳纤维在400空气氧化处理Ih和450空气氧化处理1h后制成的三维编织碳纤维/环氧复合材料进行讨论,发觉其力学性能除冲击强度外均随处理温度的提升而增加,CFRP的整体力学性能得到了明显的改善。臭氧氧化法由于具有时间短、设施工艺简洁、氧化缓和等特点,也得到了广泛的应用。贺福等用臭氧氧化处理PAN基碳纤维,发觉复合材料的界面粘结紧密,断裂形貌由多剪转变为抗剪。冀克俭等采纳臭氧氧化法对碳纤维进行了表面处理,发觉碳纤维表面羟基或醛基官能团的含
5、量提高,其与环氧树脂制成复合材料后的ILSS提高35%。近年来,采用惰性气体氧化法进行表面处理,也得到了讨论人员的关注。西北工业高校的卢锦花等,将碳纤维在叙气爱护、2200C的高温下处理2h,发觉C/C复合材料的弯曲强度提高75%,断口扫描表明断裂以脆性断裂为主,纤维与基体的结合强度较高。1.2液相氧化法液相氧化法是采纳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。最常见的液相氧化剂是浓硝酸,浓度一般在60%70%。浓度过高则纤维在氧化过程中被强酸腐蚀,强度损失较大,导致CFRP的ILSS提高不显著。万怡灶等用65%的浓硝酸在煮沸下处理PAN基碳纤维,制得的C
6、/PLA复合材料的宏观力学性能均有肯定提高。液相氧化法相比气相氧化法较为温柔,一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长,与碳纤维生产线匹配难,多用于间歇表面处理。1.3阳极氧化法阳极氧化法,又称电化学氧化表面处理,是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极,在电解水的过程中采用阳极生成的“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、竣基和C02的过程。要求水的纯度高,假如水中有杂质,其负离子电极位低于氢氧根负离子的电极位,则阳极得不到氧气;还要求正离子电极位低于氢正离子电极位,以保证阴极只有放氢反应;此外电极必需是惰性的,不参与电化反应。刘鸿鹏等以石
7、墨板为阴极、PAN基碳纤维为阳极,通过转变电解条件进行连续阳极氧化处理。该法使碳纤维表面含氧官能团的摩尔分数达8.54%,表面吸附水的摩尔分数增加了5.34%,极大地提高了碳纤维的表面浸润性能。阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类亲密相关,并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。1. 4等离子体氧化法等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理,通常是指采用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。非聚合性气体可以是活性气体(如02、NH3、SO2、CO等),也可以是惰性气体(如He、N2、Ar等)。常用的是等离子体氧
8、,它具有高能高氧化性。当它撞击碳纤维表面时,能将晶角、晶边等缺陷或双键结构氧化成含氧活性基团(如竣基,银基和羟基等)。黄玉东等将碳纤维经等离子体空气处理后制成碳纤维,酚醛复合材料,当处理时间为20min时,HSS和单纤维与基体树脂间界面微脱粘力分别提高了52.8%和56.5%,其最终制品的界面结合性能提高40%以上。熊杰等用冷等离子体氧处理碳纤维,其CFRP-水泥砂浆最大断裂荷载和韧性指数提高的幅度都特别显著。2. 5表面涂层改性法表面涂层改性法的原理,是将某种聚合物涂覆在碳纤维表面,转变复合材料界面层的结构与性能,使界面极性等相适应以提高界面粘结强度,同时供应一个可消退界面内应力的可塑界面层
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