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）

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/m2，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。

2 碳纤维表面处理的实验结果及复合材料性能研究

2.1 对碳纤维表面形貌与性质的影响

采用SEM 探究碳纤维表面形貌，经脱浆处理后的碳纤维表面比较光滑（图1 a）,而经硝酸浸泡受氧化刻蚀,使碳纤维表面出现沟壑结构，变得比较粗糙（图1 b）；浓硝酸超声处理的碳纤维表面则变得更加粗糙且均匀密集（图1 c），说明，受到硝酸的氧化刻蚀与超声波冲击表面产生了空化刻蚀两种方法协同处理，在固液界面出现微射流以及冲击波且速度较快，增加了许多大小不同块状、线状等斑痕或凸起，其表面变得更加粗糙，实现了表面改性。

图1 经过不同处理的碳纤维表面SEM图

经能谱分析，经过脱浆处理的碳纤维表面C元素含量较高，O元素含量则与之相反。在硝酸浸泡后，纤维表面的羟基等官能团含量受氧化作用影响而增多11.28%。在浓硝酸超声处理后，超声波的协助作用，碳纤维表面进一步氧化，O元素含量也随之增多约2倍,进而增加O元素和C元素的比例，使活性基团的数量增多。

2.2 对碳纤维干丝拉伸强度的影响

使用万能材料试验机进行测试碳纤维干丝拉伸强度，经过不同的表面处理，碳纤维干丝拉伸强度有不同程度的下降。因为碳纤维表面在处理过程中会受到刻蚀影响，进而降低纤维强度。而且表面刻蚀效果越大，拉伸强度下降越明显。浓硝酸在碳纤维表面带来刻蚀斑，干丝拉伸强度降低了3.7%。而浓硝酸与超声结合的处理方式对碳纤维表面的影响更大，因有明显的刻蚀现象，造成复丝拉伸强度明显下降，下降了5.2%。但在其下降并不多的情况下，表面处理后其表面更加粗糙增加了锚定效果，且空化活性也相对较大，更有利于与酚醛树脂浸润结合，使复合材料界面更紧密连接，更加牢固，制得的复合材料性能更佳[3]。

2.3 对复合材料性能的影响

根据图2可以看出，在经过上浆剂脱除处理后，不同处理方式都可以增加复合材料拉伸和弯曲与冲击强度，其中硝酸超声协同处理的效果最为明显。可见，硝酸氧化和超声处理可以改变碳纤维表面性质，进而提升强度。因浓酸处理会增加碳纤维表面粗糙度，也会增加含氧官能团的数量。超声处理增强碳纤维的分散性，促进硝酸对表面的刻蚀作用，增加了纤维与树脂界面之间的化学键合作用，使二者的结合更加紧密，从而提升了复合材料力学性能。

图2 经处理后复合材料强度对比图

2.4 对复合材料断面界面形貌的影响

通过SEM 观察复材试片断面界面形貌，(如图3)，从图3 a可以看出，未经处理的试片断面其纤维有些裸露，断面较为杂乱，部分纤维与酚醛树脂无法结合，断面有些纤维被拔出，树脂分布较不均，断裂处不整齐有点分层，这会导致界面强度低。从图3 b 可看出,经硝酸处理的试片断面，纤维裸露减少，界面较模糊，没有分层，说明纤维与酚醛树脂结合较好，氧化刻蚀形成的沟壑与树脂结合，界面强度有所提升，但表现为脆性断裂形态。图3 c 经硝酸超声处理的试片断面可看出，树脂富集区较均匀，断面较整齐且没有分层,纤维界面基本被树脂包裹，紧密结合一起,断面较少孔洞，说明纤维与酚醛树脂紧密结合，大大提升了界面强度。

图3 经过不同处理的碳纤维复材断面SEM图

3 结语

综上所述，采用浓硝酸浸泡、浓硝酸超声两种处理方式，脱浆后的碳纤维表面会出现不同的变化，两者都能在一定程度上改变碳纤维的表面性质。其中，硝酸和超声的协同处理对碳纤维表面性质的影响最大，其结合了刻蚀作用和空化效应，可以使表面变得更加粗糙，也能提升含氧官能团的数量，能够制作强度更高的碳纤维酚醛复合材料。