碳纤维表面研究及表面处理
碳纤维表面复合镀镍研究

82
Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.14
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
(a) Ni
Ni
Ni:100 at%
Ni
(b) Ni:72.02 at% P:27.98 at%
通过比较发现, 采用高温灼烧法和有机溶剂法 相结合,除胶效果更好,能获得良好的镀层。 最佳除 胶条件为:在空气中 400 ℃灼烧 10 min,然后再在有 机溶剂中浸泡 10 min。 2.2 正交试验优化镀镍工艺
通过正交试验, 采用综合平衡法对试验结果进 行分析,得到优化后的镀镍工艺:
电镀镍配方: NiSO4·6H2O 240 g/L;H3BO3 30g/L;NiCl 70g/L; C12H25NaSO4 0.1 g /L;pH 4~5;时 间 7 min;温 度 为 室 温;电流密度 0.32 A/dm2; 化学镀镍配方:
通过正交实验 L9(33) 分析,可得出,在化学镀 液 过程中, 各组分影响镀层质量及镀液稳定性的主次 顺序为:NiSO4·6H2O>NaH2PO2·H2O> C3H6O3。 但是 pH 值 的 高 低 直 接 影 响 镀 层 质 量 和 溶 液 稳 定 性 ,当 pH 值低时, 溶液中的次磷酸盐易水解成正磷酸,镀 液变坏;pH 值高于 6,镀层的光亮度范围狭小、色泽 暗红、粗糙且不均匀。 2.4 镀层结合力测试
用 技 术 研 发 项 目 (CXY08001(3)) 作者简介:叶根(1985- ),男,陕西榆林人,硕士,研究方向为碳纤维增强
金属基复合材料; 电话:13720724800; E-mail:yeroots228@
循环伏安法对PAN基高模碳纤维阳极氧化表面处理的研究

电解液 中的 阳极 氧 化 机理 , 出在 逆 向循 环 时 由于 指
氢 的产生 , 纤维 表 面 生成 的氧化 物被 全 部还 原 。曹 海 霖 等 采 用 循 环 伏 安 方 法 研 究 了 碳 纤 维 在
H P 溶液 中的 电化学 氧化机 理 。碳 纤维 阳极 氧化 O
sem观察结果与前面的循环伏安结论是一致的在koh溶液中进行循环伏安扫描过程时平台处的电流响应较其他种电解质中的平台电流大很多见图7因此通过循环伏安曲线的平台电流来表征纤维表面粗糙度是可行碳纤维的表面形貌figsemimagescarbonfibers复合材料层间剪切强度将恒流氧化前后的纤维与环氧树脂648复合制成单向层压板测其层间剪切强度ilss结果见可以看出氧化处理后碳纤维增强环氧树脂复合材料的ilss有不同程度的提高
2 0 和 10 。 4 % 7 %
关键 词 : 环伏 安 ; A 循 P N基 高模 碳 纤 维 ;阳极 氧 化
中 图分 类号 : Q1 3 6 T 5 .
引 言
碳 纤维 增强 复合材料 的性能 不仅取 决 于基体材 料 与 纤 维 的 性 质 , 取 决 于 复 合 材 料 的 界 面 性 也
第3 7卷 第 3期
2 0正 01
北京 化 工 大 学 学 报 ( 自然 科 学 版 )
Jun lo in iest fC e clT c n lg Naua ce c ) o r a f j gUnvri o h mia eh oo y( trlS in e Be i y
1 实 验 部 分
1 1 原 材 料 与 仪 器 .
P N基 高模碳 纤 维 ( MC ) 本 实 验 室研 制 的 A H F , 未经 表面处 理 的 3K纤 维 , 伸 强 度 3 2G a 拉伸 拉 . P ,
碳纤维叶片制造工艺

碳纤维叶片是风力发电机中的重要组成部分,其制造工艺直接影响着风力发电机的性能和效率。
下面将介绍碳纤维叶片的制造工艺,包括材料准备、叶片设计、模具制造、成型工艺、表面处理等方面的内容。
1. 材料准备碳纤维叶片的制造材料主要包括碳纤维布、环氧树脂、填料和其他辅助材料。
首先需要对碳纤维布进行预处理,包括裁剪、堆叠、预浸渍等工序,以确保碳纤维布的质量和性能符合要求。
同时,对环氧树脂和填料进行配比和搅拌,以获得适合叶片制造的树脂浆料。
2. 叶片设计叶片设计是制造工艺的关键步骤,需要考虑叶片的结构、强度、气动特性等因素。
通过CAD软件进行叶片设计,并进行结构分析和模拟,以确保叶片在风力作用下具有良好的性能和稳定性。
3. 模具制造制造碳纤维叶片需要采用模具来进行成型,模具的制造质量直接影响着叶片的表面质量和尺寸精度。
通常采用数控加工或复合材料成型技术制造叶片模具,以确保模具的精度和耐用性。
4. 成型工艺碳纤维叶片的成型工艺通常包括手工层叠成型和自动化预浸料成型两种方式。
在手工层叠成型中,操作工人需要按照预定的叶片结构,将预处理好的碳纤维布逐层铺放在模具上,并进行树脂浆料的浸渍和挤压,最终形成叶片的预成型件。
而自动化预浸料成型则采用机器设备将碳纤维布和树脂浆料进行预浸润,并在模具中进行成型,以提高生产效率和产品质量。
5. 热固化与固化经过成型后的叶片预成型件需要进行热固化处理,即将其置于恒温恒湿的条件下进行固化,以使树脂浆料完全固化并获得所需的力学性能。
这一步骤是制造碳纤维叶片中至关重要的环节,直接关系到叶片的使用寿命和性能表现。
6. 表面处理最后,经过热固化处理的叶片需要进行表面处理,包括修整、打磨、涂装等工序,以获得光滑平整的表面和保护涂层,提高叶片的气动性能和抗风蚀能力。
通过以上工艺流程,可以生产出具有优良性能和质量稳定的碳纤维叶片,为风力发电机的可靠运行提供了重要保障。
表面处理对碳纤维及其复合材料性能的影响

表面处理对碳纤维及其复合材料性能的影响摘要:碳纤维表面活性官能团较少,难以与极性聚合物相容。
通过碳纤维的表面处理,可以接枝官能团和短支链、长链结构和聚合物等,可以改变碳纤维的比表面积和表面极性,提高其与基体的相容性,并扩展碳纤维的适用范围。
关键词:表面处理;碳纤维;复合材料;性能影响前言碳纤维作为最受关注的高性能纤维之一,其表面改性一直受到人们的广泛关注。
国外尤其是日本、美国等发达国家对于碳纤维的制备、改性已有较深入的研究,并取得了一系列成果。
目前,国内外对于碳纤维表面接枝法的研究较多,且普遍围绕如何提高碳纤维与基体复合材料的界面粘结力展开。
碳纤维与基体复合材料的界面粘结机理十分复杂,目前虽已有一些实验和理论对此进行了说明,但相关研究者尚未达成统一认识,仍需进行大量深入的研究。
利用化学接枝法可以有效增加碳纤维的表面粗糙度,提高碳纤维与基体间的粘结力,保证碳纤维材料高强性能的有效发挥。
1氧化法氧化法根据氧化介质不同分为液相氧化、气相氧化、电化学氧化等。
液相或气相氧化是将碳纤维置于具有氧化性的液体或气体中处理的方法。
采用HNO3氧化处理碳纤维,并将处理结果与其他研究人员的结果做对比,发现不同研究人员的研究结果差异较大。
他们认为硝酸氧化处理,可以消除碳纤维制备过程中表面存留的碎片但是表面刻蚀效果并不明显。
王影[4]将碳纤维置于臭氧气氛中进行处理,结果发现臭氧处理后,碳纤维表面发生一定程度的刻蚀,致使碳纤维表面变粗糙,但是表面的氧元素含量、含氧极性官能团的相对含量都有所增加。
臭氧处理后的碳纤维表面仍为类石墨结构,但表面石墨化程度下降,表面被活化。
2高能辐射处理法高能辐射处理是利用高能射线发出的微粒子或者等离子体轰击纤维的表面,在纤维表面与树脂基体间产生化学键合作用,提高树脂基体对碳纤维的润湿性。
采用电晕放电的方式产生低温等离子体。
通过该途径产生的低温等离子体包括大量活性离子,这些粒子能与碳纤维表面发生相互作用,清洁纤维表面,使碳纤维表面变粗糙,同时产生微观球状结构;根据放电气体的不同,在纤维表面引入不同的化学基团;改变纤维表面的接触角和表面能。
碳纤维后处理工艺流程

碳纤维后处理工艺流程碳纤维是一种轻、强、高模量的新型纤维材料,具有优异的力学性能和化学稳定性,广泛应用于航空航天、船舶、汽车、体育器材等领域。
然而,碳纤维作为一种高性能材料,在生产过程中仍然需要进行后处理工艺,以提高其表面质量和增强其性能。
碳纤维后处理工艺涉及到表面处理、改性处理和功能化处理等环节,本文将详细介绍碳纤维后处理工艺流程。
一、碳纤维后处理工艺流程概述碳纤维后处理工艺是在碳纤维制备过程中的最后一个环节,主要目的是改善碳纤维的表面性质,提高其粘接性、润湿性、导热性等特性,进而增强其在复合材料中的应用效果。
碳纤维后处理工艺流程主要包括表面处理、改性处理和功能化处理三个环节,具体步骤如下:1.表面处理碳纤维的表面处理是后处理工艺的第一步,主要是利用物理或化学方法清洁碳纤维表面,去除尘埃、油脂和其他污染物,以确保后续处理工艺的顺利进行。
常用的表面处理方法包括喷砂、溶剂清洗、气体等离子处理等。
2.改性处理改性处理是碳纤维后处理工艺的核心环节,通过改性处理可以有效改善碳纤维的表面特性,增强其黏附性和润湿性,提高其力学强度和耐热性。
常用的碳纤维改性处理方法包括氧化、氢化、表面活性剂处理、离子注入、化学涂层等。
3.功能化处理功能化处理是对碳纤维进行特定功能的表面改性,以赋予其特定的性能,如增强导电性、抗静电性、耐化学腐蚀性等。
常用的碳纤维功能化处理方法包括导电涂层、化学修饰、阳离子改性等。
以上是碳纤维后处理工艺流程的概述,下面将详细介绍每个环节的具体处理工艺。
二、碳纤维后处理工艺流程详解1.表面处理表面处理是碳纤维后处理工艺的第一步,其目的是清洁碳纤维表面,去除表面杂质和污染物,提高后续处理工艺的效果。
常用的表面处理方法包括:(1)喷砂:利用高速气流将砂粒冲击碳纤维表面,去除表面污染物和氧化层,增加表面粗糙度,提高黏附性。
(2)溶剂清洗:采用有机溶剂如丙酮、丙醇等对碳纤维表面进行清洁,去除油脂、树脂等污染物。
碳纤维表面上浆处理

• Chemical structure
• Surface enegy and wettability
• Thermal stability and IFSS
Results
A number of longitudinal streaks dispers on the C-1-sized carbon fibers surface, The longitudinal streaks in the C-2 and C-3-sized carbon fibers almost disappeared .A few granular substances appeared on C-3-sized carbon fibers .there was no bundle between C-2-sized carbon fibers, and the fiber bundle had uniform dispersibility. However, some C-3-sized carbon fibers adhered together which did not satisfactory processability and other workability for further application. As a result, we chose C-2 with the concentration of 0.5 wt % as the sizing agent for the following investigation. The results of this study revealed that sizing agent with thermoplastic PPEK resin improved carbon fibers surface and interfacial properties of carbon fiber composites. XPS results confirmed that the main component of sizing agent on T700M CF was PPEK resin. T700M CF performed better thermal stability than that of T700 CF. Because of more functional groups on surface, T700M CF showed higher polar component and surface energy than T700 and T700T carbon fibers. Surface energy of T700M CF was 49.96 mJ m-2, improving 59.26% compared to T700T CF. The wetting performance of T700M was best with the contact angle of 57.01°, and the values were 73.11° and 97.05° for T700 and T700T carbon fibers, respectively. IFSS of T700M CF/PPEK composite was 51.49 MPa and improved 30.32% compared to 700T CF/PPEK composite. Carbon fiber sizing with PPEK can distinctly improve their thermal stability, surface energy, wetting performance, and IFSS.
聚丙烯腈基碳纤维电化学氧化表面处理研究

碳纤 维初始 样 品 , 以英 国考 陶尔 ( C o u r t a u l d s )
公 司聚丙 烯腈 ( P A N) T 3 0 0级原 丝 为原料 , 经过 吨
和并易 于控制 、 纤 维表 面处理 均匀 、 易于 工业化 而
得 以广 泛应 用 。
级 连续 预氧化 、 碳化 和表 面处理 制得 的碳 纤维 ; 碳 纤 维标 准 样 品 , 经 过 表 面 处 理 的东 丽 T 3 0 0碳 纤 维; 碳 酸氢铵 ( N H H C O ) , 沧 州化 学试 剂 厂 生产 ;
文章 以碳酸 氢 铵溶 液 为 电解 液 , 对碳 纤 维 进
行电化学氧化表面处理 , 运用 x射线光 电子能谱 ( X P S ) 、 扫 描 电子 显微镜 ( S E M) 、 力学 性 能分 析等
手段 , 研究 上述 电化学 氧 化 表 面处 理 工 艺 参 数对
碳纤 维及 其复 合材 料 力 学 性 能 的影 响 ; 表 面 处理 前后 碳纤 维表 面形 貌 变 化 、 表 面 处理 前 后 碳 纤 维 增 强热 固性树 脂复合 材料 断面 形貌 和表 面形貌 的
季春 晓 常 丽 周新露 李 昌俊
( 中国石 化上 海石 油化 工股份 有限公 司, 2 0 0 5 4 0 )
摘 要 : 介绍 了电化学氧化法聚丙烯腈基碳 纤维表面处 理工艺 , 研 究了不同表 面处 理工艺对 碳纤维及碳
纤维增强热固性树脂复合材料力学性能的影响 。研究结果 表 明采用 碳酸氢铵 为电解 液进行 电化学氧化表 面处理的最佳工艺条件为 : 电解液质量分数 9 . 5 %、 电流密度 1 . 2 m A / c m 、 电解时 间 9 0 s 、 电解 温度 3 4 。 经过 电化学氧化表面处理 的碳纤维表面的沟槽变得更深 、 更宽 , 树脂可 以牢 固地嵌 入纤维表面 的沟槽 之中 , 且碳纤维与树脂的黏结性越好 , 复合材料的 I L S S越大 ; 碳纤维表面 大量 的含氧官能团和含氮 官能 团有利 于 改善碳纤维增强热固性树脂复合材料的力学性 能, 碳纤维 I L S S可达到 9 0 MP a以上 。 关键词 : 碳纤维 电化学氧化 表面处理 形貌 表面化学分析
PAN基碳纤维在表面处理中的拉曼光谱研究

1 实验部分
1 1 原 材 料 及 样 品 制备 .
序峰。对于低 有序结构 的碳材料 ,还存在一些肩 峰,这些肩 峰在一定程度上表现出碳材料中某些结构的变化I ] 】。
碳纤 维 属 于 多 晶 多相 材 料 ,目前 比较 一 致 的看 法 认 为碳 纤 维 是 由沿 纤 维 轴 高 度 取 向 的 石 墨 微 晶 构 成 ,R l d及 ua n
从 17 年 Tu sr 和 K e i 90 it n a onn g等 开 始 利 用 激 光 拉 曼 光
谱在研究碳纤维物相 结构 中的应用 ,对不 同表面 处理 P N A 基碳纤维的激光拉曼光谱进行分析 , 通过分峰拟合定量研究
了不 同 处理 碳 纤 维 样 品 的 物相 结 构 变 化 。
谱对石墨和其他一些碳材料的微结构进行研究至今 , 激光拉 曼光谱在研究碳质材料 的微结构方面得到 了广泛的应用 。碳 材料拉曼光谱一级序区的频率范 围为 9 0 180c , 0 0 m~ 在
该 范 围 内 ,单 晶 石 墨 只 在 150 c 1 存 在 特 征 谱 线 ( 8 m_ 处 G 峰 ) 随着 石 墨 晶 格 缺 陷 、低 对 称 结 构 的增 加 ,在 13 0 ,而 6 c 附近 出现 了 另外 一 个 谱 线 ( 峰 ) 该 谱 线被 称 为 结 构 无 r n D ,
时 间 可 控 , 气气 氛 。 空
1 2 性 能 测 试 .
探索碳纤维压缩强度的过程 中, 对乱层 条带模 型提 出了重要
的修正意见 , 他们认为碳纤维尤其是高强 型碳纤 维由两相构
成 , 中一相是人们熟知的乱层石墨微 晶,这是碳纤维具 有 其 良好拉伸性能的原因;另一相则是无 序碳 结构 。李向山 、华
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优点:
设备简单,反应时间短,容易和CF生产线衔接起来,
无污染,可连续处理。
处理时应避免
缺点:
过度氧化
反应较难控制,易使纤维纵深氧化,使CF拉伸强度
损伤大。
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液相氧化处理
➢ 常用的处理方法之一,主要是去掉碳纤维表面的 弱界面层WBL,引入各种极性官能团而提高复合 材料的界面粘接性能。
碳纤维SEM形貌
复合材料界面相
6
三、碳纤维表面处理的目的
提高碳纤维复合材料中碳纤维与基体的结合强度
➢ 第一,防止弱界面层(Weak boundary layer)的生成。
a.所吸附的杂质、脱模剂等; b.界面层老化时形成的氧化层、水合物层等; c.与基体的不充分浸润而所束缚的空气层等。
➢ 第二,产生适合于粘结的表面形态。
碳纤维表面研究及表面处理
1
一.碳纤维简介 二.碳纤维的表面研究 三.碳纤维表面处理的目的 四.几种碳纤维的表面处理方法
2
一、碳纤维简介
• 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(1500℃)碳化而成的纤维状碳化 合物,其含碳量在90%以上。
• 碳纤维结构复合材料由于具有质轻、比强度和比 模量高、热膨胀系数小、性能可设计等优势而被 广泛应用于体育、医疗器材、航空、航天等领域。
14
气相氧化法
➢ 通过氧化纤维表面,从而引入极性基团,并给予 适宜的粗糙度,来提高复合材料界面的粘接强度 和材料的力学性能。
• 介质:热空气或其中混合了一定量的空气、O2、O3、CO2、 CO、SO2、水蒸气等气体的混合气体。
• 处理温度:一般400-600℃。 • 反应时间:根据碳纤维的种类和所需氧化程度而定。
➢ 等离子体法主要是通过等离子体撞击碳纤维表面,从而刻蚀碳 纤维表层,使其表面的粗糙度增加,表面积也相应增加。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,使得碳 纤维表面发生自由基反应,并引入含氧极性基团。
➢ 等离子体处理的效果 • 洗净表面 • 使碳纤维表面的沟槽加深,粗糙度增加 • 在纤维的表面产生一些活性基团,如-COOH,-COO-,-
• 最常用的氧化剂:硝酸
用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团, 氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑明显 增多,利于提高纤维与基体材料之间的结合力。
➢ 比气相氧化温和, 一般对碳纤维不产生过度的凹坑和裂解, 在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多。
17
18
增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭效应。
➢ 第三,改善树脂和增强材料的亲和力。
引进具有极性或反应性官能团,及能与树脂起作用的中间层,如— COOH,—NH2,—OH等。
7
四、碳纤维表面处理方法
引入极性基 团并消除弱 界面层
碳纤维表面
沉积更活泼的 碳和其他物质
氧化处理
非氧化处理
因此如何提高复合材料各组份间结合性,充分利 用界面效应的优越性能,一直是复合材料领域重 点研究课题之一。
5
二、碳纤维的表面研究
碳纤维表面有很多孔隙、凹槽、杂 质及结晶等,主要由碳和少量的氮、 氧、氢等元素组成。 (PAN碳纤维中的碳含量约95%,石 墨纤维碳含量达99%以上)
碳纤维表面只含碳、氢、氧元素, 未经表面处理的碳纤维表面约含有 16.5%羟基、3.4%羰基,由于极性基 团的含量很少,不利于其与基体树 脂的粘结。
12
➢等离子体处理对复合材料层间剪切破坏断面的SEM分析
未经等离子体处理
等离子处理后
未经等离子体处理的碳纤维复合材料断口中,纤维与基体树脂间存在明显
缝隙,纤维表面粘有的树脂较少,表面较为光洁,破坏多发生在界面上。
经过等离子体处理后的碳纤维复合材料经层间剪切破坏后,纤维与树脂基
体间结合紧密,纤维表面粘附的树脂较多,而且纤维被树脂紧密地包裹住,
3
碳纤维的结构
理想的石墨点阵属六
方晶系,真实的碳纤维 结构属于乱层石墨结构。
石墨的六方晶体结构
沥青基石墨纤维端口, 石墨片从芯部向外经 向辐射,纤维表面有 较浅的沟槽
4
• 碳纤维复合材料的性能由纤维、基体和界 面层三个主要组成部分决定。
a.碳纤维是增强体,为主要的承力结构。 b.树脂基体可以传递和承受剪切应力,保护纤维 不受损伤和腐蚀。 c.界面是增强相和基体相的中间相,是增强相和基 体相连接的桥梁,也是应力及其他信息的传递者。
说明纤维表面与树脂基体的粘结性较好,破坏较少发生在界面上而是发生在
树脂基体和纤维本体中。
13
等离子体处理的优点:
• a. 可以在低温下进行,避免了高温对纤维的损伤; • b. 处理时间短,几秒钟就能获得所需要的效果; • c. 经改性的表面厚度薄,可达到几微米,因此可
以做到使材料表面性质发生较大变化,而本体相 的性质基本保持不变。
OH,-C=O等
10
➢等离子体处理对碳纤维表面性质的影响
a.等离子体处理时间对碳纤维表面元素组成的影响
不同处理时间下碳纤维的化学结构分析
随着等离子体处理时间的增加,碳纤维表面-C-C-结构的含量表现出逐 渐下降的趋势,而最终恒定在45%左右;同时,其表面极性基团的含 量表现出逐渐增加的趋势,在不同处理时间下其表面的-C-N-、-C-O-、 -C=O、-O-C=O等基团的含量均比未处理时要高,进而使纤维与基体 的界面形成牢固的化学结合力。
气 相 氧 化 法
液 相 氧 化 法
催 化 氧 化 法
气 相 沉 积 法
电 聚 合 法
偶 联 剂 涂 层 法
聚 合 物 涂 层 法
晶 须 生 长 法
等 离 子 体 法
8
碳纤维表面处理后层间剪切强度( ILSS) 的提高情况
9
等离子处理
➢ 等离子体:随着物质能量的增加,物质的状态将发生由固→液 →汽的转变,进一步增加气体能量,则气体原子中的电子可以 脱离原子而成为自由电子,原子成为正离子,这种含电子、正 离子和中性粒子的混合体,称为等离子体。
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b.等离子体处理对纤维表面形貌的影响
未处理碳纤维表面的AFM照片 经等离子体处理后碳纤维表面的AFM照片
由原子力显微镜照片可见,未经等离子体处理的碳纤维表面较为光滑, 纤维表面仅有少量较浅的沟槽; 经过等离子体处理后,碳纤维表面的沟槽数量增加,并且沟槽的深度 变深,增加了纤维表面与树脂基体的接触面积,有利于提高复合材料 界面的粘结性能。