碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展

孔云臻

摘 要：碳纤维增强树脂基复合材料因其高比强度、高比模量、可设计性强等优异性能，在军用和民用领域应用广泛。相比于常规碳纤维增强树脂基复合材料，碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能热塑性树脂复合材料（简称“CFRHPTP”）具有耐热性高、耐腐蚀性好、高强度、高韧性、可回收再利用等优势，在轨道交通、航天航空、国防军工等尖端前沿科技领域具有广阔的应用前景。对于CFRHPTP，高性能热塑性树脂作为连续相，碳纤维作为增强相，相互之间通过界面层结合。界面相作为纤维与树脂间应力传递的纽带，直接影响到内部应力的传递和分散，损伤的传播和抑制对复合材料整体性能起着决定性作用。

关键词：碳纤维;高性能;热塑性复合材料;界面改性

我国在CFRHPTP界面改性方面的研究大多仍停留在实验室阶段，尚不能满足我国航空、航天、国防等高端领域的实际应用需求。因此，有必要在该领域继续开展深入研究，开发新的界面改性技术，以解决CFRHPTP棘手的界面问题，满足我国尖端技术領域对先进复合材料的迫切需求。笔者认为，上浆剂改性法是有大规模应用潜力的改性方法，新型热塑性上浆剂的开发值得重点关注。

1 氧化法

碳纤维的结构单元是六角网平面，边缘不饱和碳原子、缺陷周围碳原子的活性高，容易被强氧化剂氧化，在碳纤维表面引入羟基（-OH）、羰基（-CO）和羧基（-COOH）等含氧官能团，可以增加碳纤维的表面化学活性、表面能，提高碳纤维复合材料的界面性能。根据氧化介质的不同，氧化处理方法可分为液相氧化法、电化学氧化法、气相氧化法等。Wang等以硝酸为电解质，对碳纤维进行了电氧化处理，并采用XPS研究了在聚醚醚酮（PEKK）树脂与氧化碳纤维之间的界面相互作用。XPS分析显示，经氧化处理后，碳纤维表面引入的“氢桥结构”可与PEKK表面的羰基形成化学成键，而且复合材料的最终性能与CF/PEKK界面反应的程度紧密相关。氧化法工艺较为简单，能有效刻蚀碳纤维表面并引入化学活性基团，从而提高复合材料的界面性能。但如何控制氧化程度，防止过度氧化造成碳纤维本身机械性能下降是值得关注的问题。阳极氧化法氧化过程较为缓和均匀，且易于实现连续配套生产，是目前碳纤维工业普遍采用的表面处理方法。而采用其他液态强氧化剂的氧化方法，多为间歇式处理，不适用于连续工业生产，主要应用于实验室的小批量氧化处理。相关学者研究了常压等离子体改性对碳纤维/聚酰亚胺（CF/PI）复合材料力学性能的影响，等离子体改性装置原理如图1所示。结果表明，He/O2常压等离子体改性处理在碳纤维表面引入了大量含氧官能团，并显著增加了碳纤维表面能和粗糙度，增加了树脂对碳纤维的浸润性以及界面区域的机械啮合作用，使得CF/PI的界面剪切强度提高了21%。

2 等离子体处理法

等离子体是指正负电荷的数量或密度基本相等而形成宏观电中性的物质集合体，等离子体处理法即使用等离子体撞击碳纤维表面，从而对碳纤维表面进行刻蚀，使碳纤维表面的粗糙度和比表面积增加。此外，由于等离子体粒子一般具有几个到几十个电子伏特的能量[1]，撞击在碳纤。维表面可能引发自由基反应，从而可以在碳纤维表面引入化学活性基团。等离子体表面处理虽然可以有效改善复合材料的界面性能，但过度的等离子体处理会降低碳纤维自身的拉伸强度。因此，等离子体改性需要严格控制处理条件，在不牺牲纤维自身力学性能的基础上增强界面性能。

3 纳米粒子改性法

在碳纤维表面引入纳米增强颗粒，构筑微纳多尺度杂化碳纤维增强体，能够有效提高碳纤维表面的粗糙度，加强树脂基体与碳纤维之间的机械啮合作用，是提高CFRHPTP界面性能的有效方法。碳纳米管（CNT）作为一种有着优异机械性能、良好导电导热性能的纳米增强材料，已经广泛应用到了复合材料改性当中。将CNT引入碳纤维表面是一种能改善碳纤维与树脂基体界面性能的有效方法。Park等通过电泳法将多壁碳纳米管（MWCNTs）沉积在碳纤维表面，并将这种MWCNTs改性的多尺度杂化碳纤维作为复合材料增强体，改善了碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合材料的界面性能和电学性能。

4 结论

界面是碳纤维增强高性能热塑性复合材料的薄弱环节，是影响其性能的关键因素之一。复合材料界面改性研究一直备受重视。本文总结了碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面性能的影响因素，并重点介绍了碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的原理和方法[2]。

参考文献：

[1]曾汉民，张志毅.结晶性高聚物基体复合材料的界面结晶效应[J].材料工程，2018（1）：6-10.

[2]林志勇，曾汉民.热塑性碳纤维复合材料界面研究[J].高分子通报，2017（5）：56-61.