碳纤维氧化处理与界面的研究ppt课件

1、碳纤维概述、分类及构造 碳纤维的氧化处置 界面的研讨方法碳纤维碳纤维1.1概述 碳纤维由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温(1500C)碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在90%以上。 优点：具有高的比强度和高模量，热膨胀系数小，尺寸稳定性好。被大量用作复合资料的加强资料，用碳纤维制成的树脂基复合资料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3倍以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因此在航空和航天工业中得到运用并得到迅速开展。碳纤维的分类碳纤维的分类1.2按先驱体纤维原料类型分类 聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 木质素纤维基碳纤维有机纤维炭化法沥青基石墨纤维沥青基石墨

2、纤维端口，石墨片从端口，石墨片从芯部向外经向辐芯部向外经向辐射，纤维外表有射，纤维外表有较浅的沟槽较浅的沟槽碳纤维的构造碳纤维的构造 理想的石墨点阵构理想的石墨点阵构造属六方晶系，真实的造属六方晶系，真实的碳纤维构造属于乱层石碳纤维构造属于乱层石墨构造。墨构造。石墨的六方晶体构造石墨的六方晶体构造石墨层片石墨层片碳纤维碳纤维石墨微晶石墨微晶乱层构造乱层构造石墨原纤石墨原纤条带构造条带构造石墨层片的缺陷石墨层片的缺陷及边缘碳原子及边缘碳原子石墨微晶石墨微晶 乱层构造乱层构造最根本的构造单元最根本的构造单元碳纤维的二级构造单元碳纤维的二级构造单元原纤维原纤维碳纤维的三级构造单元：碳纤维的三级构造单

3、元： 石墨微晶组成原纤石墨微晶组成原纤维，直径维，直径50nm50nm左右，长左右，长度数百纳米。原纤维呈度数百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许现弯曲、彼此交叉的许多条带状构造组成，条多条带状构造组成，条带状的构造之间存在针带状的构造之间存在针形空隙，大体沿纤维轴形空隙，大体沿纤维轴平行陈列。平行陈列。最后由原纤维组成碳纤维的单丝最后由原纤维组成碳纤维的单丝外表裂纹外表裂纹外表堆积物外表堆积物外表毛纤外表毛纤外表机械损伤外表机械损伤内裂纹内孔洞短切碳纤维短切碳纤维镀镍碳纤维镀镍碳纤维碳纤维织物碳纤维织物碳碳纤纤维维不不织织布布对碳纤维进展外表处置的目的： 提高碳纤维外表与树脂的反响活性添加碳

4、纤维与树脂基体的粘接强度改动碳纤维外表的物理化学形状调理复合资料的界面相容性碳纤维的外表处置 碳纤维经过外表处置后，拉伸强度和拉伸模量根本不下降； 经外表处置后的碳纤维与环氧树脂复合后，其层间剪切强度获不同程度的提高。碳纤维外表处置的效果气相氧化液相氧化气液双效法电化学氧化法碳纤维的氧化处置CF的氧化处置2.1气相氧化 气相氧化的介质通常是热空气和一定量的氧化性气体(O3 、O2 、CO2 、SO2 等) 的混合气体，也可以是纯氧化性气体。气相氧化易于实现工业化，但它对纤维拉伸强度的损伤大，处置时应防止过度氧化。 贺福1等用O3 氧化法对碳纤维的外表进展氧化处置，使碳纤维复合资料(CFRP)

5、的层间剪切强度提高了40 %76 % ，他们将缘由归于纤维外表的化学官能团和比外表积的添加，而物理的“锚锭效应是次要的。气相氧化 W. H. Lee 等2将碳纤维在氧气与氮气的混合气体中进展氧化处置,发现氧化处置的纤维和未处置的纤维外表最大的区别是处置后的纤维外表有较多的羰基。 氧化处置的纤维加强的复合资料，其剪切强度比未处置的提高了69 % ,因此他们也将缘由主要归于纤维外表官能团的改动，以为羰基在纤维与树脂的界面处起到了改善界面结合强度的作用，从而改善了复合资料的性能。 液相氧化2.2液相氧化 液相氧化中运用的氧化剂种类很多,如高锰酸钾、过硫酸铵、NaClO3 和H2SO4混合溶液、硝酸等

6、。液相氧化的方法比较温暖，不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解，而且在一定条件下含氧基团数量较气相氧化的多，但应留意氧化剂与氧化工艺的选择要适当，才干到达理想的效果。 硝酸是液相氧化中研讨较多的一种氧化剂,用硝酸氧化碳纤维,可使其外表产生羧基、羟基和酸性基团,这些基团的量随氧化时间的延伸和温度的升高而增多。氧化后的碳纤维外表所含的液相氧化 各种含氧极性基团和沟壑增多,有利于提高纤维与树脂之间的界面结合力。强氧化剂与高浓度含氧酸的水溶液被以为是多种氧化剂中最有效的。 杜慷慨等3的研讨阐明了氧化工艺(氧化温度和时间) 的重要性,他们用硝酸作为氧化剂,发现纤维外表的羧基等有用基团随氧化温度的升高和时间的延

7、伸而增多, 但当温度超越100 和氧化时间超越2h ,虽然含氧基团迅速增多,但过度氧化导致纤维强度降低,反而导致复合资料的性能降低。液相氧化 赵东宇等4的研讨结果阐明,用15 %KClO3 + 40 %H2 SO4 混合溶液处置对碳纤维外表改性效果显著，这种混合溶液是一个较温暖的氧化体系，氧化反响的结果只是添加了羧基。 羧基的添加提高了纤维外表的极性，从而改善纤维与树脂的浸润性，有利于界面结合。 这种氧化剂对纤维外表的氧化程度具有可控性，不致对纤维呵斥损伤,在纤维外表的刻蚀深度不是很大，有益于改善纤维和树脂的粘接。气液双效法2.3气液双效法 所谓气液双效法是指先用液相涂层再用气相氧化,使碳纤维

8、的本身抗拉强度和复合资料的层间剪切强度都得到提高。 研讨发现,气液双效处置后纤维外表含氧官能团添加,而比外表积仅为0. 45m2 / g ，复合资料的剪切强度到达100MPa ，而未处置纤维的比外表积为30m2 / g ，其加强的树脂基复合资料剪切强度仅为70MPa 。这阐明纤维与树脂的界面粘接以化学键为主,物理嵌合为辅。 所以纤维的外表处置应着重改善其外表的化学环境,使纤维外表的含氧官能团添加,而不应一味地要求纤维比外表积的添加。 电化学氧化法也称为阳极电解氧化法。以碳纤维作阳极，在不同的电解质溶液中于一定电流密度下，靠电解产生的新生态氧对碳纤维外表进展氧化和腐蚀。 工艺：阳极可用镍板或石墨

9、电极。电解液普通为氢氧化钠、硝酸、硫酸、铵盐溶液等。处置时间：数秒至数非常钟。 电化学氧化电化学氧化 效果：碳纤维外表被氧化腐蚀使比外表积增大、化学基团添加，与环氧树脂复合后，其复合资料层间剪切强度可提高60%以上。 阳极电解氧化法具有氧化反响速度快,处置时间短，氧化缓和，反响均匀，且易于控制、处置效果显著等优点。阳极电解氧化法的实验安装如以下图1：电化学氧化 郭云霞等5采用电化学氧化法对聚丙烯腈( PAN) 基碳纤维进展外表改性,处置后纤维外表沟槽加深、加宽、粗糙度添加,这些都有利于树脂与碳纤维外表发生咬合固定并发现经电化学改性后的碳纤维外表含碳量降低了9. 7 % ，含氧量添加了53. 8

10、 % ,由此阐明电化学氧化使外表的活性点增多,有电化学氧化 利于提高碳纤维外表与树脂间的化学反响性,进而可以改善碳纤维复合资料的力学性能。 为维护碳纤维电解氧化后外表的有效官能团,同时更加有效地提高纤维与树脂间的界面粘接。 吴庆6对电解氧化处置后的纤维进展了上浆处置,并将仅进展氧化处置的纤维和进展了氧化及上浆处置的纤维与树脂间界面的平均剪切强度进展了比较,发现对纤维进展外表加上浆处置可以对纤维与树脂界面粘接强度的提高起到协同效应, 以为上浆剂中的偶联剂在纤维与树脂外表的官能团之间产生的化学键力是界面结合进一步加强的主要缘由。界面的分析表征方法 对界面的分析表征主要有两个方面：一是分析界面构造和

11、组成；二是测定界面结合强度。3. 1 界面构造和组成的表征方法 界面的组成和构造分析普通采用近代先进的分析测试技术, 如SEM、AFM 可以给出纤维外表、复合资料断口形貌和界面微观构造；米压痕法和力调制方式下的AFM 可用于表征纤维、树脂和复合资料界面硬度的变化，给出界面的厚度。 普通来说, 复合资料界面粘接好的表现是：复合资料剪切断口界面几乎没有开裂，纤维几乎无拔出景象, 表现出纤维与树脂同时断裂。而界面的结界面的表征方法 合很差的表现方式是: 未处置的复合资料剪切断口界面上纤维与基体树脂开裂严重, 界面分别明显, 存在大量拔脱的碳纤维。拔出的碳纤维长度较长, 外表光洁, 根本上未粘附树脂,

12、 碳纤维拔出后在基体树脂中残留有深的隧洞7。3.2 界面结合强度的表征方法 表征聚合物基复合资料界面强度的普通方法是单纤维模型复合资料测试，它主要包括括单纤维拔出法、单纤维临界断裂法、微脱粘实验法、纤维顶出法等, 其中, 微脱粘实验测试是定量测定复合资料界面结合强度较为可靠的方法, 三点短梁弯曲法是间接反映复合资料界面结合强度最常用的宏观测试方法。参考文献1. 贺福,杨永岗,王润娥,等. 碳纤维外表处置对层间剪切断裂形貌的影响J . 高科技纤维与运用,2002 ,27 (4) :282. Lee W H , Lee J G,Reucrof t P J . XPS study of carbon fiber surfaces treated by thermal oxidation in a gas mixture of O2 / (O2 / N2 ) J . Appl Surf Sci ,2001 ,171 :3. 林慷慨,林志勇. 碳纤维外表氧化的研讨J . 华侨大学学报 (自然科学版) ,1990 ,20 (2) :4. 赵东宇,李滨耀,余赋生. 碳纤维外表的液相氧化处置改性 J . 运用化学,