1、6.1 增强材料的表面处理技术,6.1.1 玻璃纤维的表面处理6.1.2 碳纤维的表面处理6.1.3 有机纤维的表面处理技术,6.1.2 碳纤维的表面处理,一、碳纤维表面处理的目的和意义 为了改善其表面结构和性能，采取一些措施，使之获得与基体材料很好地粘结，从而达到提高其复合材料层间剪切强度、断裂韧性、尺寸稳定性及界面的抗湿性。,二、碳纤维表面处理的方法及作用效果 目的：1)、清除碳纤维表面杂质2)、在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积3)、从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能4)、引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。,如将羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等涂覆
2、于纤维表面。其他如电沉积和电聚合法涂覆有机高分子层,与含有反应性端基的树脂接触,对涂层聚合物的要求：,涂层聚合物最好能以离子键或共价键固定在碳纤维上与组成复合材料的基体相容为使树脂与涂层有较好的结合，聚合物涂层最好有与基体反应的基团,2. 表面涂覆无机化合物其涂层的品种有如下几种：（1）表面上沉积无定形碳 在高模量结晶型纤维表面加涂一层无定形碳以提高界面的粘结力，其涂层方法有两种：一是在电阻炉中加热到1200C，然后与甲烷-氮混合气体相接触；另一方法是先浸涂聚喹噁啉溶液，再经干燥后，于1600 C下裂解后得到碳纤维上的涂层。,1000度热解乙炔和甲烷沉积碳层,（2）加涂碳化物涂覆于碳纤维上的碳
3、化物主要有如下几种：用化学气相沉积（CVD）的方法加涂碳化硅。将碳纤维在高温下与四氯化硅氢混合气体接触，就会在碳纤维表面反应沉积生成碳化硅。加涂碳化硼：将碳纤维在高温下与三氯化硼氢混合气体相接触。加涂碳化铬：先使每克碳纤维吸附0.8ml左右的醋酸铬溶液，然后在120 C下干燥，再在1200C电阻炉中停留1520s。,3、表面化学处理,（1）酸处理： CF经氢溴酸或氢碘酸处理后，可提高纤维的导热性和结晶性；经强氧化性酸处理后，使表面氧化，降低了导热和导电性。注：现常改用氧或臭氧及潮湿空气氧化的方法对碳纤维表面进行处理。,碳表面官能团被NaOH中和的是羧基和酚基，中性的是醌基和羰基，羰基放出CO2
4、，其他的产生CO。,（2）臭氧氧化法臭氧的产生可用无声放电和光化学反应等方法，3O2+286.49kJ 2O3,放电,或紫外线,此方法处理效果显著，已得到广泛的应用,臭氧表面处理碳纤维,间歇式臭氧表面处理碳纤维设备 1-高纯石英，2-放电管，3-放电装置，4-密封盖，5-密闭箱，6-碳纤维毡，7-电源,（3）氨处理,先使碳纤维温度达1000 C以上，然后通入10100氨和无氧化性气体（氮、氩、氢、氦等），经处理后，可提高其复合材料的剪切强度。 或：碳纤维也可先经表面氧化，再在100500 C下与氨或有机胺接触反应，以形成与树脂基体有亲和力的界面而提高界面粘结力。,（4）盐溶液处理,先浸涂甲酸、
5、乙酸、硝酸等的铜、铅、钴、钒等盐类溶液，然后在空气或氧气中于200600C下氧化，使碳纤维表面粗糙而又不过度刻蚀进而达到改善界面。,催化氧化,4、电解氧化处理,碳纤维的电解处理装置,在室温下用含活性氯5.25的次氯酸钠溶液（pH11）作为电解液，将碳纤维在其中停留210min，经过洗涤和干燥。,阳极：碳纤维阴极：石墨电解液：HNO3、NaOH、CuCl2、KNO3、NH4NO3,酸性电解质中，由水分子电解生成的氧原子被碳纤维表面的不饱和碳原子吸附，并与相邻吸附氧原子的碳原子相互作用脱落一个碳原子而产生CO2，从而使石墨微晶被刻蚀，边缘与棱角的活性碳原子数目增加，是表面能增加的一个重要因素。,如
6、果电解质属于碱类，OH-被碳纤维表面的活性碳原子吸附，并与三个相邻的同样吸附了OH-的碳原子相互作用产生O2，新生态O2产生的氧化作用使活性碳原子数目增加，其反应为：,NaOH为电解质进行氧化刻蚀时，在碳纤维表面主要生成强酸性基团羧基HNO3为电解质主要生成强酸性的羧基和弱酸性的酚羟基,（5）等离子体处理,高温等离子体处理设备中，使含有515氩的混合气体中产生等离子体，温度为4000K，最高达8000K。低温等离子体设备中，在惰性气体、温度为0150 C 、真空度100300kPa下产生等离子体。,等离子体,等离子体是在特定条件下使气(汽)体部分电离而产生的非凝聚体系。它由中性的原子或分子，激
7、发态的原子或分子、自由基、电子或负离子、正离子以及辐射光子组成的。体系内正负电荷数量相等，整个体系呈电中性。它有别于固、液、气三态物质，被称作物质存在的第四态。,注： 碳纤维表面经气体等离子体处理后，其物化性能发生显著变化，即表面浸润性变化、强度和直径发生变化、表面组成发生变化。 所以碳纤维表面处理对提高复合材料的剪切强度、表面积、官能团和浸润性等有很重要的影响。,（1）有机纤维的特点 1）低密度，高强、高模 2）刚性链，高度取向，分子链堆砌密度大 3）分子链排列呈表芯结构。,6.1.3 有机纤维的表面处理技术,Kevlar纤维的“皮芯”结构模型,（2）芳纶纤维的表面处理 1）化学处理,表面接枝对芳纶纤维表面性能的影响,2）等离子体处理,芳纶纤维等离子处理效果,3）表面涂层-弹性聚合物或带活性基团的柔性高分子溶液,思考题:,1. 碳纤维表面处理的方法有哪些？2. Kevlar纤维的结构有何特点？表面处理的方法有几种？,
