碳纤维表面改性研究进展
碳纤维复合材料应用研究报告进展
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碳纤维复合材料的应用研究进展
姜楠
＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉 430062）
摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。简要 介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应 用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的 研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化 烧蚀技术应用研究
1前言
碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天 ，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性 能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。随着 CFRP材料
性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得 它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机 械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2 CFRP材料的性能特点
碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。其最高强度已达 7000MPa
，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高 导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。碳纤维 由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向 ，强度高、模量
高，而横向性能差，其强度和模量都很低。因此在使用时，主要应用碳纤维在 轴向的高性能。[1-2]
碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为
5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。由于原料和热处理 工艺不同，碳纤维的品种很多。高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模
量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维具有优异的力学性能和 物理化学性能。碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层 取向和石墨化程度有密切的关系。碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。在惰 性气氛下碳纤维热稳定性好，在 2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但 在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。碳纤维能耐一 般的酸，碱腐蚀。在高温下和金属有不同程度的界面反应，严重损伤纤维，因 此在用作金属基复合材料的增强物时，应采取有效的防止反应的措施。另外碳 纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。 [3]
碳纤维功能材料在纸业应用中的研发现状与前景
种纸 瑟 瑟 碳纤维功能材料 在纸业应用中的研发现状与 。胡志军张治国（浙江科技学院轻工学院，杭州３１００２３） 胡志军，博士；研究领域包 括制浆造纸清洁生产、特种 纸和纸浆流体数值模拟等 相关理论和技术。 摘要：介绍了碳纤维的特点，目前常用表面处理技术的方法原 理和研究进展，分析比较各种处理技术对复合材料使用性能的 影响。综述了碳纤维作为新能源和电化学材料、电磁屏蔽材料、 导电发热和抗静电材料、环保防护和吸附分离功能材料等功能 材料在纸业中的应用，碳纤维纸是一种高性能、多功能的先进复 合材料，具有很好发展前景。 关键词：碳纤维；表面 性；功能材料；碳纤维纸 中图分类号：ＴＳ７２２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１ ００７ ９２１１（２０１０）２３—００７７—０４ 口资助项目：浙江省重大科技计划项目（Ｎｏ．２００７Ｃ１１１ ０ ６）。 ２０１０ ・・ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｅ胃 月Ｕ景 山 咴 纤维是一种性能优异的新材料，比重小，约１．５～ １．８ｇ／ｃｍ ，直径小，约５～ ７ ｍ，长径比大，轴向强度和模量 高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导 电性介于非金属和金属之间，热膨 胀系数小，耐腐蚀性好，易形成导电 网络，同时还具有强化材料的功能。 这些优异性能预示了碳纤维在工程 的广阔应用前景。碳纤维功能材料 以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、屏蔽 导电性能、电热性能等特点广泛用 作结构、屏蔽导电、发热等材料，是 其它纤维复合材料无法比拟的。 但是，对碳纤维复合材料而言， 碳纤维缺乏韧性，不耐弯折，无热收 缩能力，其碳纤维之间具有较强的 凝聚力，在使用中存在分散和混合 均匀困难的难点。碳纤维表面惰性 大、表面能低，缺乏有化学活性的官 能团，反应活性低，与基体的粘结性 差，界面中存在较多的缺陷，直接影 Ｄｅｃ，２０１０ Ｖｏｌ ３１，Ｎｏ．２３ ＣｈｉｎａＰｕｌｐ＆ＰａｐｅｒＩｎｄｕｓｔｒ
ｙ ７７ ２０１０ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ 响了复合材料的力学性能，限制了碳 纤维高性能的发挥。因而，需要对碳 纤维进行相应的表面改性处理。 １ 碳纤维的改性技术 碳纤维的改性处理，可分为表 面氧化法、表面涂层处理、超声处理 技术和ｖ射线辐射处理等。 １．１表面氧化法 表面氧化法通过氧化处理去除 纤维表面的残余浆料涂层和其他 弱表面层，并在其表面刻蚀出更多 的浅沟槽，同时在纤维表面引入含 氧基团，提高纤维表面化学活性， 最终使复合材料界面性能得到改 善。表面氧化法可以分为：阳极电 解氧化法、液相氧化、气相氧化和 电聚合等。刘丽等 对Ｃ Ｆ采用表 面氧化处理后接枝丙烯酸的改性方 案，结果表明，阳极氧化处理增加 了纤维表面的极性官能团，大量活 性碳原子被剥离出来，提高了接枝 反应能力，有利于改善复合材料界 面结合。Ｔｏ ｅｂ ｅ Ｓ ～ 等用浓硝酸处 理碳纤维，发现处理后纤维的结构 没有变化，表面积和孔客增加，表 面能明显增大，提出改性的关键因 素是畅通碳纤维的内部孔道并给出 了总含氧量。处理后生成的含氧基 团有酸酐、酯基、醌基和酚羟基等 多种。 １．２表面涂层处理法 表面涂层处理法可分为气相沉 淀处理法、表面电聚法、偶联剂涂 层法、聚合物涂层、表面生成晶须 法等。随着导电聚合物的出现，研究 人员提出使用导电聚合物来包覆碳 纤维，既能改善其电磁性能，又不会 ７８ 华钗ｔ第３１卷第２３期２０１０￣Ｆ１２Ｎ 带来密度的增大。Ｚｄｅｎｋａ Ｒ ｉ ｍ－ ｓ ｋ ａ等人 采用微胶囊技术在碳纤 维表而包覆一层ＰＭＭＡ，研究发现 在渗滤阈值以下这种填料有较高 的ＡＣ电导率和较低的Ｄ Ｃ电导率。 Ｍ．Ｐａ¨ｇＯｖ ｄ等人 采用不导电聚 苯胺包覆碳纤维，研究表明在渗滤 闽值以下，这种聚合物在高频（０～ ｌ ３００Ｍ Ｈ Ｚ）下有较高Ｄ Ｃ导电率和 较低ＡＣ导电率，有效克服传统导电 填料会形成短路的弊端，ｓＥ的值高 达３５ｄＢ。 １．３超声表面处理技术 超声表面处理技术方面，主要 是利用超声在液体中引起气泡的破 裂时产生的高温、高压及局部作用 引起纤维的变化。Ｐｅｎｇ Ｈｅ等 运 用等离子和超声作用于多层碳纤维 纳米聚碳酸酯复合材料。研究表明 该法处理碳纳米纤维增强了纤维在 聚合物中的分散性，提高了复合材 料的机械性能。Ｋｏｓｈｉｏ Ａ等［１（３１指出 碳纤维聚合物浸润过程中，运用超 声波处理可以使聚合物分布更加均 匀，减少组织中的缺陷，提高复合材 料整体性能。 其它方法还有等离子体和碳纤 维的Ｙ射线辐射。等离子体是由带 电粒子和中性粒子组成的表现出集 体行为的一种准中性气体。等离子 体粒子的能量一般为几个到几十个 电子伏特，这已足够引起材料中各 种化学键发生断裂或重新组合，使 表面发生自由基反应并引入含氧极 性基团，增加纤维与基体之间的化 学键合作用，改善碳纤维的表面性 能 。碳纤维的Ｙ射线辐射，根据高 能射线可使单体或低聚物接枝在惰 性聚合物表面的原理，对粘胶基碳 纤维进行Ｙ射线辐射接枝，可在纤 维表面形成与树脂相容性更好的涂 层，提高纤维与树脂的粘接性能。研 究表明，随辐照剂量增加，微脱粘力 增大 。 ２ 碳纤维功能材料的应用 ２．１新能源和电化学材料 在各类燃料电池中，质子交换 膜燃料电池高功率密度、高能量转 换率、低温动等优点，越来越受到各 国研究人员的注意，其制约关键部 件之一是气体扩散层。目前气体扩 散层基底材料普遍采用高纯度碳纤 维纸。 碳纤维纸不仅具有均匀的多孔 质薄层结构，还具备优异的化学稳 定性和热稳定性，促使其在能源和 电化学材料领域得到很快发展” 。 Ｒ．Ｂ．ＭａｔｈＵ ｒ等“ ＇” 通过自制碳纤 维纸，详细研究了模压工艺、碳化工 艺等对碳纤维纸各项性能的影响。 王虹等 刮详细介绍了质子交换膜燃 料电池用碳纤维纸的纤维原料选 择，原纸的干、湿法抄纸及树脂浸渍 热压及碳化后处理工艺。罗志平等 等以国产碳纤维纸为基体、酚醛 树脂为粘结剂，采用液相浸渍法对 碳纤维纸进行导电炭黑填充。采用 这种材料作为燃料电池阴极和阳极 气体扩散层，电池的输出性能良好， ５５Ｖ时输出功率为５２０ｍＷ／ｃｍ 。 ２．２电磁屏蔽材料 采用电磁屏蔽材料对电磁波进 行屏蔽隔离和损耗，是减轻电磁辐 射污染的有效途径。传统屏蔽材料
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展
1．引言
碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金是以碳化钨粉末为主要原料，Co做粘结剂而制成的一种合金。因碳化钨-Co硬质合金具有高硬度、高强度和优良的耐磨性及抗氧化性，而被广泛的用于机械加工、采矿钻探、模具和结构耐磨件等领域[1]。超细碳化钨-钴硬质合金是指合金中碳化钨晶粒平均尺寸为0.1~0.6μm，这使其具有高强度、高硬度和高韧性，有效地解决了传统硬质合金硬度与强度之间的矛盾。碳化钨 晶粒在 100nm 以下的纳米硬质合金应当有更优良的性能。
1959年，Shindo A首先发明了用聚丙烯腈（PAN）纤维制造碳纤维。美国在21世纪革命性的12项材料技术中，则将“新一代碳纤维、纳米碳管”排在第四位[2]。碳纤维具有高强度、高模量、密度小，比强度高、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优良性能。正因如此，将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后得到的碳纤维复合材料，同样具有高的比强度、比模量、耐疲劳、耐高温、抗蠕变等特点。近年来它们被广泛地应用于航空航天、汽车构件、风力发电叶片、油田钻探、体育用品、建筑补强材料等领域[3]。
超细碳化钨-钴硬质合金和碳纤维在某些方面的优异性能和在工业上的广泛应用，使得国内外很多研究学者对这两种材料进行了深入研究。本文将主要从超细碳化钨-钴硬质合金的烧结手段及其对硬质合金性能的影响、致密化方式和效果，碳纤维增强复合材料的性能等方面对国内外文献进行综述。
2. 烧结方法
目前国内外研发了许多制备超细碳化钨粉末的方法，主要有直接碳化法[4]、氢气还原WOX碳化法、流化床还原碳化法、气相沉积法、有机盐热分解碳化法、等离子电弧法、熔盐法和机械球磨法、液相还原法[5]等，目前应用于工业化规模生产的主要是前三种方法。要使超细碳化钨粉末具备特殊性能，必须经过烧结这一关键步骤，烧结技术的不同将对硬质合金的性能产生重要影响。而如何有效控制碳化钨晶粒在烧结过程中的长大行为成为制备超细晶和纳米晶硬质合金的关键技术。下面将对近年来出现的烧结技术做综合介绍。
不同方法表面改性碳纤维对复合摩擦材料性能的影响
２０１３年４月 第３８卷第４期 润滑与密封 ＬＵＢＲＩＣＡＴ１０Ｎ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｐｒ．２０１３ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１３．０４．０１５
不同方法表面改性碳纤维对复合摩擦材料性能的影响
李张义 胡以强 陈加云 金鑫
（１．华东理工大学机械与动力工程学院上海２００２３７；２．华强树脂有限公司浙江海盐３１４３００）
摘要：采用气相、液相以及气液相相结合的方法对碳纤维进行表面处理，对碳纤维的表面形貌进行观察；制备碳 纤维增强硼改性树脂基摩擦材料，研究碳纤维表面处理方法对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：不同碳纤维表 面处理方法均增大了碳纤维的表面粗糙度，有利于碳纤维与基体的紧密结合；对碳纤维进行４５０℃、５ ｈ气相处理然后 随炉冷却的表面处理效果最好，该方法改性得到的碳纤维可以代替铜纤维来增强复合摩擦材料。 关键词：表面处理；碳纤维；摩擦磨损性能 中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１３）４—０６８—４
Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ Ｃａｒｂｏｎ
Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｌｆｅｒｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ
Ｌｉ Ｚｈａｎｇｙｉ Ｈｕ Ｙｉｑｉａｎｇ Ｃｈｅｎ Ｊｉａｙｕｎ ｄｉｎ Ｘｉｎ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕａｑｉａｎｇ Ｒｅｓｉｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈａｉｙａｎ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３ １４３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇａｓ ｐｈａｓｅ，ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇａｓ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂｏ— ｒｏｎ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｒｅｓｉｎ ｂａｓｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈ— ｎｅｓｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｆｔｅｒ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｍａｔｒｉｘ．Ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｐｈａｓｅ ｕｎｄｅｒ ４５０℃ｆｏｒ ５ ｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ｉｔ ｃａｎ ｒｅｐｌａｃｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ，
聚丙烯腈基碳纤维电化学氧化表面处理研究
石油化工技术与经济 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ 第２９卷第５期 ２０１３年１０月
聚丙烯腈基碳纤维电化学氧化表面处理研究
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，２００５４０）
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 ｍＡ／ｃｍ 、电解时间９０ ｓ、电解温度３４ 。 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ＩＬＳＳ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ＩＬＳＳ可达到９０ ＭＰａ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 文章编号：１６７４—１０９９（２０１３）０５—００１６—０８ 中图分类号：ＴＱ３４２ 文献标识码：Ａ
由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高
温、耐腐蚀、导电和热膨胀系数小等优异性能， 被广泛应用于航空航天领域 ｊ。碳纤维增强热
固性树脂复合材料（ＣＦＲＰ）的性能不仅取决于
材料的组成，更取决于组成材料之间的界面质
量、纤维的表面性能以及纤维与基体界面应力
的传递方式。良好的界面结合性能可以有效传 递载荷，充分发挥碳纤维高强度、高模量的特 性，提高复合材料的机械性能 Ｊ。但未经表面
处理的碳纤维活性比表面积小，表面能低，与基 体的黏结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影
响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性 能的发挥 Ｊ。因此，国内外对碳纤维表面改性
的研究非常活跃。 碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面
活性、强化碳纤维与基体树脂之间界面性能来达 到提高复合材料层间剪切强度（ＩＬＳＳ）的目的。
国产T800S_级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究
4何 梅 等 国产T800S级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究
国产T800S级碳纤维表面特性对复合材料
界面性能影响研究
何 梅，吴姜炎，廖英强，刘 宁，程 勇，常雪梅
西安航天复合材料研究所Ὃ陕西省航天复合材料重点实验室Ὃ西安市先进聚合物基复合材料重点实验室Ὃ陕西西安710025Ὀ
摘要：对两种国产T800S级碳纤维与进口T800S碳纤维表面特性及其复合材料界面性能的关联性进行了研究。通过扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）对三种碳纤维的表面形貌与粗糙度进行了表征；采用X射线光电子能谱（XPS）
对三种碳纤维表面化学官能团比例进行了分峰计算；通过碳纤维表面静态接触角对纤维表面浸润性进行了分析。制备
并表征了碳纤维NOL环与单向复合材料的力学性能与微观破坏形貌，通过对比分析确定了影响复合材料界面性能的关键性因素，对复合材料界面性能的进一步提升具有指导意义。
关键词：碳纤维；表面特性；树脂；界面；关联性中图分类号：TB 332
Study on the Infl uence of Surface Characteristics of Domestic T800S Carbon Fiber on the
Interfacial Properties of Composites
HE Mei, WU Jiang-yan, LIAO Ying-qiang, LIU Ning, CHENG Yong, CHANG Xue-mei
( Xi’an Aerospace Composites Research Institute, Shaanxi Key Laboratory of Aerospace Composites, Xi’an Key Laboratory
of Advanced Polymer Composites, Xi’an 710025, Shaanxi, China )
Abstract: In this paper, the relationship between surface characteristics and interfacial properties of two kinds of domestic T800S
活性炭纤维研究与应用进展_程祥珍
第21卷 第2期Vol121 No12材 料 科 学 与 工 程 学 报JournalofMaterialsScience&Engineering总第82期Apr.2003
文章编号:10042793X(2003)0220283206
收稿日期:2002208211;修订日期:2002210223作者简介:程祥珍(1977-),女,国防科技大学航天与材料工程学院博士生,现从事高性能SiC纤维研究.活性炭纤维研究与应用进展
程祥珍,肖加余,谢征芳,宋永才(国防科技大学航天与材料工程学院CFC重点实验室,湖南长沙 410073)
【摘 要】 活性炭纤维(ACF)是由有机纤维先驱体制得的一种理想的高效吸附材料。ACF以其特殊的表面化学结构和物理吸附特性广泛应用于环境保护、电子工业、化工、医疗卫生、低成本SiC纤维制备等领域。本文就ACF的结构与吸附特性、制备与应用等做了较系统的综述,并对其发展趋势做出了展望。【关键词】 活性炭纤维;制备;结构;吸附特性;应用中图分类号:TQ342+174 文献标识码:A
ResearchandApplicationProgressofActivatedCarbonFiber
CHENGXiang2zhen,XIAOJia2yu,XIEZheng2fang,SONGYong2cai(CollegeofAerospace&MaterialsEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha 410073,China)
【Abstract】 Ashigheffectiveidealadsorbents,activatedcarbonfibers(ACF)arepreparedfromtheprecursorsofsomeorganicfibers.Duetothespecialsurfacestructureandadsorptionproperties,ACFarewidelyusedinthefieldssuchasenvironmentalprotection,electronicindustry,medicaltreatment,chemicalengineering,andlow2costSiCfiber.Themicrostructures,adsorptionproperties,preparationmethods,andapplicationsofactivatedcarbonfibersarebrieflyreviewed.Meanwhile,thenextresearchobjectiveisprospected.【Keywords】 activatedcarbonfiber;preparation;structure;adsorptionproperties;application
碳纤维复合材料的磨损性能研究
碳纤维复合材料的磨损性能研究
引言：
碳纤维复合材料作为一种广泛应用于航空、汽车、体育器材等领域的高性能材料，具有优异的机械性能和轻质化特点。然而，在使用中，其磨损性能是至关重要的。本文旨在通过对碳纤维复合材料磨损性能的研究，进一步了解和提升其使用寿命和可靠性。
一、磨损机理分析
磨损是指物体表面由于与其他物体的接触而导致的剥落或擦伤现象。对于碳纤维复合材料而言，其磨损机理主要包括表面磨损和界面磨损两种情况。
1. 表面磨损
当碳纤维复合材料表面与外界物体产生摩擦时，其表面会出现划痕或磨擦痕迹。这主要是由于碳纤维材料的硬度较高，容易与其他硬质材料发生冲击和磨擦。
2. 界面磨损
碳纤维复合材料多由纤维和基体两部分组成，其中纤维与基体之间的界面容易发生磨损现象。当材料在使用过程中受到外力作用时，纤维与基体之间发生相对滑动，导致界面产生剥落和磨损。
二、磨损性能测试方法
为了研究和评估碳纤维复合材料的磨损性能，科学家们开发出了多种测试方法，其中包括材料摩擦磨损实验、显微观察、磨损机制分析等。
1. 材料摩擦磨损实验 该实验通过模拟真实使用环境中的摩擦磨损条件，对碳纤维复合材料进行摩擦测试，以获取其磨损性能数据。常见的测试方法包括平移摩擦试验、旋转摩擦试验等。
2. 显微观察
显微观察是通过显微镜等工具对碳纤维复合材料的磨损表面进行观察和分析，以获取磨损痕迹形貌和微观结构的信息。这有助于深入了解磨损机理和寿命预测。
3. 磨损机制分析
通过结合摩擦实验和显微观察结果，科学家们可以对碳纤维复合材料的磨损机制进行分析。例如，磨损可能由于材料硬度差异、摩擦力、载荷等因素引起，因此该分析有助于改善材料设计和使用条件。
三、磨损性能改进方法
为了提高碳纤维复合材料的磨损性能，科学家们提出了一系列改进方法，这些方法不仅包括材料改性，还包括表面处理和润滑等措施。
1. 材料改性
通过添加填料、改变纤维类型和基体材料等方式，可以改变碳纤维复合材料的组成和结构，从而提高其硬度和耐磨性。
碳纳米管改性纤维复合材料研究进展
碳纳米管改性纤维复合材料研究进展
作者：范雨娇 王海雷 苑晓洁 姜茂川 王犇
来源：《新材料产业》 2017年第6期
文/ 范雨娇 王海雷 苑晓洁 姜茂川 王 犇
中航复合材料有限责任公司
复合材料因其比强度、比模量高的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛应用。但纤维增强复合材料具有各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而层间性能较差。碳纳米管( C N T s )超强的力学性能为改善复合材料层间性能提供了新途径。纤维增强复合材料因为其比强度、比模量高以及质量轻的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛的应用。但复合材料层板的性能存在着各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而抗压缩性能以及层间性能较差。例如复合材料层板吸收冲击载荷的能力十分有限，冲击后材料的性能会明显的下降，其原因是它的塑性较差并且界面相对薄弱。界面决定载荷从基体向增强体传递的效率，对于复合材料强度特别是偏轴强度在一定程度上起到决定性作用；对于复合材料的损伤累积与裂纹传播历程起一定影响。因而改善纤维复合材料层间性能也是提高复合材料综合性能的有效途径。
C N T s是新型功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量、韧性好、密度低、更兼具特殊的电子学性质，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。其超强的力学性能可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性。相比于传统纤维，碳纳米管与树脂之间的应力传递效率要高出传统纤维10倍。并且碳纳米管具有各向同性的特点。因此，在传统复合材料中引入碳纳米管，借助其优良的力学性能、大长径比、各项同性等特点，成为了改善传统复合材料层间性能的有效途径。碳纳米管存在于裂纹前缘还可以通过架桥作用、碳纳米管的断裂以及碳纳米管的拔出吸收能量以减缓裂纹的扩展。从而提高其层间的断裂韧性以及使其具有一定的功能性。目前碳纳米管改性纤维复合材料的方法可分为以下3类：通过碳纳米管对于树脂基体的改性，改善复合材料的力学性能；通过碳纳米管对于纤维进行改性，从而增加纤维与树脂界面性能以及层间性能，从而综合提高复合材料的性能；通过碳纳米管对于预浸料进行改性，从而改善复合材料的层间韧性及其他性能。
碳纤维上浆剂的研究进展_代志双
学术论文RESEARCH
2012 年第 20 期・航空制造技术95[摘要] 综述了碳纤维上浆剂组成，上浆剂对碳纤维表面性能、与树脂的浸润性能和粘结性能影响。关键词： 碳纤维 上浆剂 表面性质 界面 [ABSTACT] The component of sizing is described . The effects of sizing on carbon fi ber surface properties, wettability and interfacial adhesion between carbon fiber and resin matrix are also summarized.Keywords: Carbon fi ber Sizing Surface proper-ties Interface碳纤维具有优良的力学性能，被誉为21世纪的新型材料。因其具有模量高、强度大、比重小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等一系列优异的性能，其与先进树脂形成的复合材料在现代航空航天尖端技术领域及体育休闲用品、土木建筑、电子产品、医疗器械等领域有着广泛的应用[1-2]。但是，碳纤维是脆性材料，在生产及加工过程中，经机械摩擦容易起毛，或出现单丝断裂等现象，使碳纤维的强度降低[3-4]。而且，由于毛丝的存在，树脂基体不能充分润湿碳纤维，在复合材料制备中容易产生孔隙，从而影响复合材料的力学性能[5]。另外，毛丝的存在还会对工作环境产生影响，可能会造成电器设备、仪表等断路事故，严重影响生产和安全，也会对操作人员的健康带来危害[6-7]。目前，对碳纤维进行上浆处理是解决上述问题的主要方法。上浆就是在经表面处理的碳纤维表面上涂一层保护层，其基本组成为有机物，厚度约为几十至几百nm，质量分数一般在0.8%~1.5%之间。一般认为上浆剂的主要作用是减少纤维起毛断丝现象，使碳纤维集束，改善其加工性能并起到保护作用。1 碳纤维上浆剂碳纤维上浆剂可分为两种，一种是溶液型的，是将有机树脂，如聚乙烯醇、醋酸乙烯酯聚合物、丙烯酸的聚合物、聚氨酯、环氧树脂等，溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成；另一种是乳液型的，是以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂，少量或没有交联剂以及其他助剂制成的乳液。溶液型上浆剂需要大量易燃的有机溶剂，有很多缺点，会带来经济、安全、卫生等方面的问题。因而国外广泛采用乳液型上胶剂[8]，它一般不易在导辊上留下树脂，又无溶剂污染环境，而且由于乳液中含有表面活性剂，可以大大提高碳纤维表面的被润湿性。1.1 主体聚合物主体聚合物是碳纤维上浆剂的主要成分，选择的原则是要求其制备成的上浆剂对所浆纤维具有良好的粘着性，并能形成良好的浆膜，同时要求浆料的物理、化学性质稳定，浆料来源充足，配方简单。根据“相似相溶”原理，当纤维与上浆剂之间的化学结构和主要基团的极性相似时，两者之间有良好的粘着性。碳纤维上浆剂的品种很多，主要是与基体树脂相匹配。对于一定的基体树脂，必须选用合适的上浆剂。目前国际上使用的上浆剂主体聚合物主要有环氧树脂、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、酚醛树脂等[9]。近年来人们对以环氧基团为主体的上浆剂研究较多[10]。国外以往所使用过的环氧碳纤维上浆剂，有芳香族缩水甘油醚及芳香族缩水甘油胺等。最初的双酚A二缩水甘油醚上浆剂，由于使用了和树脂基体同样的化合物，所以与纤维和树脂基体的粘合性较好。但是碳纤维在织造时，所需的抱合力，特别是可挠性，不能满足加工要求，该上浆剂对织造时的起毛断丝现象并没有产生一定抑制作用。采用OPE非离子表面活性剂作为乳化剂，将双酚A型环氧树脂乳化制成水性乳状液的上浆剂，该上浆剂未使用溶剂，没有毒性及易燃的危险，不污染环境，但乳化剂的种类和用量是特定的，并不能充分达到上浆剂抑制纤维织造时产生毛羽和断丝的作用，以及上浆剂增加复合材料的层间剪切强度的作用。N、N、N、N一四缩水甘油醚基苯二胺作为上浆剂，可使碳纤维和增强树脂的粘结性良好，该上浆剂比双酚A二缩水甘油醚更好，可使复合材料的层间剪切强度有所改善。但因其含有胺基，环氧基经常发生变化，使处理的碳纤维随时间的变化失去可挠性，变成硬态。该碳纤维在织造碳纤维上浆剂的研究进展Development of Carbon Fiber Sizing北京航空航天大学材料科学与工程学院空天材料与服役教育部重点实验室 代志双 李 敏 张佐光中航工业北京航空材料研究院 石峰晖 张宝艳学术论文RESEARCH