維表面處理工藝優(yōu)化對(duì)其應(yīng)用性能提升至關(guān)重要，表面氧化法是常見手段，包括氣相、液相和電化學(xué)氧化，氣相氧化借氧化性氣體使纖維表面引入極性基團(tuán)并增糙；液相氧化用濃硝酸等液體介質(zhì)，較溫和且含氧基團(tuán)多；電化學(xué)氧化能影響纖維特性與催化劑附著，還有表面涂層法、沉積法等。

碳纖維表面處理工藝優(yōu)化的方向

• 根據(jù)處理方法特性進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化
  • 等離子體法：
    • 等離子體處理的效果受處理時(shí)間影響。隨著處理時(shí)間增加，碳纖維表面 -C - C - 結(jié)構(gòu)含量逐漸下降最終恒定在45%左右，極性基團(tuán)含量逐漸增加，使纖維與基體界面形成牢固化學(xué)結(jié)合力。因此，可以通過精確控制處理時(shí)間來優(yōu)化工藝，在保證碳纖維與基體良好結(jié)合的同時(shí)，避免過度處理影響碳纖維本體性能。同時(shí)，選擇合適的等離子體氣體也很關(guān)鍵，例如在對(duì)碳纖維表面活性基團(tuán)有特殊要求時(shí)，可采用氮?dú)獾葰怏w增加含氮官能團(tuán)。
    • 等離子體法具有可在低溫下進(jìn)行、處理時(shí)間短、改性表面厚度薄等優(yōu)點(diǎn)。在優(yōu)化工藝時(shí)，可充分利用這些優(yōu)勢，比如對(duì)于不耐高溫的碳纖維材料，利用低溫處理特性，通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)，精準(zhǔn)控制等離子體能量和處理時(shí)間，以達(dá)到理想的表面處理效果，同時(shí)保持碳纖維本體性能基本不變。
  • 氣相氧化法：
    • 介質(zhì)、處理溫度和反應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)。介質(zhì)可以是熱空氣或混合了一定量空氣、O?、O?、CO?、CO、SO?、水蒸氣等氣體的混合氣體，處理溫度一般為400 - 600℃，反應(yīng)時(shí)間根據(jù)碳纖維種類和所需氧化程度而定。優(yōu)化時(shí)，需要針對(duì)不同的碳纖維類型，精確調(diào)整這些參數(shù)，以引入合適的極性基團(tuán)并給予適宜的粗糙度，提高復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。
  • 液相氧化法：
    • 溶液濃度、氧化時(shí)間和處理溫度是影響氧化效果的主要因素。以硝酸氧化為例，隨著處理時(shí)間增加，纖維表面粗糙度增加，但氧化時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致纖維表面嚴(yán)重刻蝕，力學(xué)性能下降明顯。所以在優(yōu)化工藝時(shí)，要在增加表面粗糙度提高與基體結(jié)合力和保持碳纖維力學(xué)性能之間找到平衡，通過實(shí)驗(yàn)確定合適的溶液濃度、氧化時(shí)間和處理溫度。
• 結(jié)合不同處理方法的優(yōu)勢
  • 可以將氧化處理和非氧化處理相結(jié)合。例如先采用液相氧化法去掉碳纖維表面的弱界面層WBL，引入各種極性官能團(tuán)，再采用氣相沉積法在碳纖維表面沉積一層物質(zhì)來提高其界面黏接性能，這樣可能比單獨(dú)使用一種方法更能提高碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到優(yōu)化表面處理工藝的目的。
  • 把等離子體法與涂層技術(shù)相結(jié)合。等離子體法可以增加碳纖維表面粗糙度和活性基團(tuán)，然后再利用涂層技術(shù)（如偶聯(lián)劑涂層法、聚合物涂層法等）進(jìn)一步改善碳纖維表面性質(zhì)，增強(qiáng)與基體的親和力，提升復(fù)合材料的綜合性能。
• 考慮碳纖維自身特性
  • 對(duì)于不同原料（如聚丙烯腈基、瀝青基等）的碳纖維，由于其本身結(jié)構(gòu)和性質(zhì)存在差異，表面處理工藝應(yīng)有所不同。例如，工業(yè)化生產(chǎn)中聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維為主，在對(duì)它們進(jìn)行表面處理時(shí)，要根據(jù)各自的化學(xué)惰性程度、表面形態(tài)等特點(diǎn)，選擇合適的處理方法和工藝參數(shù)。
  • 碳纖維的用途也會(huì)影響表面處理工藝優(yōu)化。如果是用于航空航天領(lǐng)域，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能要求極高，在表面處理時(shí)可能需要更精確的工藝控制，以確保碳纖維與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度、復(fù)合材料的力學(xué)性能等滿足嚴(yán)格的航空航天標(biāo)準(zhǔn)。

等離子體法處理時(shí)間對(duì)碳纖維性能的影響

氣相氧化法優(yōu)化參數(shù)的具體案例

液相氧化法與力學(xué)性能的平衡點(diǎn)

碳纖維表面處理結(jié)合不同方法的優(yōu)勢