碳纖維以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕、吸能等性能，在航空航天、國防軍工、軌道交通、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳表面形貌結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成直接相關(guān)。通過對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，改變碳纖維表面活性及形貌，改善其浸潤性，提高界面結(jié)合作用，能夠充分發(fā)揮碳纖維高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)異性能。

圖1  聚丙烯腈基碳纖維

碳纖維表面改性主要分為“表面化學(xué)改性”、“表面形貌改變”和“表面進(jìn)行重建。” 表面化學(xué)改性是指：向表面引入官能基團(tuán)或分子鏈，可提高表面活性和表面自由能。改變表面形貌是指：適度增加表面粗糙度，增加比表面積，可提高與樹脂浸潤的接觸面積，同時(shí)可在碳纖維/樹脂間形成機(jī)械鎖鏈作用。表面進(jìn)行重建是指：將微納米顆粒吸附或生長在碳纖維表面，對(duì)表面進(jìn)行重建，得到全新的碳纖維表面三維結(jié)構(gòu)，可提高碳纖維/樹脂界面粘合性，同時(shí)避免對(duì)碳纖維本體的損傷。下文將對(duì)不同的改性方法做解析。

一、碳纖維表面化學(xué)改性

1、表面引入官能基團(tuán)

碳纖維含碳量超過95%，表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性，不利于與基體材料的化學(xué)鍵連接。對(duì)碳纖維表面進(jìn)行含氧、氮等基團(tuán)改性，可提高碳纖維表面活性、提升碳纖維復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能。

研究者采用連續(xù)氣相熱化學(xué)法處理碳纖維，實(shí)現(xiàn)碳纖維表面羥基和羧基含量發(fā)生變化，氧含量達(dá)14%-24%。碳纖維表面初始氧基團(tuán)含量與碳纖維微觀晶粒大小相關(guān)，而結(jié)晶與原絲等級(jí)和表面微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過熱化學(xué)處理法可更好地調(diào)控碳纖維表面氧含量，從而使碳纖維表面化學(xué)組成具有可設(shè)計(jì)性。

2、碳纖維表面接枝分子鏈

在碳纖維表面基團(tuán)改性基礎(chǔ)上，通過接枝等化學(xué)反應(yīng)可將設(shè)定結(jié)構(gòu)分子鏈引入碳纖維表面，改善碳纖維與樹脂基體間的界面粘結(jié)性,從而提高復(fù)合材料的性能。

中科院寧波材料所采用石墨烯納米粒子接枝到碳纖維表面，可以有效提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能。為了實(shí)現(xiàn)石墨烯改性碳纖維的規(guī)模化路線，采用石墨烯改性上漿劑對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，以提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能。

二、碳纖維表面形貌改變

改變碳纖維表面粗糙度及微觀結(jié)構(gòu)，使表面形成凹凸、孔洞等結(jié)構(gòu)，與樹脂基體產(chǎn)生機(jī)械鎖鏈，從而改善界面粘合作用，提高碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能。

研究者采用連續(xù)氣相熱化學(xué)法處理碳纖維，處理后纖維表面出現(xiàn)10nm以下的凹凸結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可與基體材料形成機(jī)械鎖鏈，進(jìn)一步提高碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能。

福州大學(xué)研究者采用濃H2SO4/濃HNO3混合酸對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理得到氧化碳纖維，再利用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH-570）與氧化碳纖維進(jìn)一步反應(yīng)得到KH-570接枝改性碳纖維，碳纖維在氧化反應(yīng)后表面溝槽加深加寬，粗糙度顯著提升，接枝KH-570后碳纖維表面粗糙度進(jìn)一步提升; 氧化反應(yīng)、接枝KH-570能夠有效改善碳纖維與乙烯-醋酸乙烯共聚物基體之間的相容性，其中接枝KH-570對(duì)碳纖維與乙烯-醋酸乙烯共聚物基體之間相容性的改善更為顯著。

圖2  改性后碳纖維SEM（來自福州大學(xué)）

三、碳纖維表面微納米顆粒3D結(jié)構(gòu)重建與改性

采用化學(xué)生長或鍵合吸附等方式在碳纖維表面構(gòu)建有機(jī)、無機(jī)、有機(jī)G無機(jī)復(fù)合微納米顆粒、線等結(jié)構(gòu)，在不改變碳纖維本體性質(zhì)的同時(shí)，可有效提高碳纖維的活性和比表面積，提高纖維與樹脂的相容性，即實(shí)現(xiàn)碳纖維無損表面改性。

（1）碳纖維表面構(gòu)建有機(jī)顆粒

碳纖維表面構(gòu)建有機(jī)顆粒工藝過程是首先采用無皂乳液聚合制備表面帶正電荷的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，然后將碳纖維浸漬在PMMA微球懸浮液中，采用電泳方法，將直徑為160nm的PMMA微球吸附在碳纖維表面，吸附時(shí)間僅為30s，調(diào)節(jié)電壓，可在短時(shí)間內(nèi)改變微球吸附量。在碳纖維表面構(gòu)建不同的3D結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)碳纖維表面的可控改性，以此調(diào)控纖維與基體樹脂間的界面剪切強(qiáng)度。

（2）碳纖維表面構(gòu)建無機(jī)顆粒

研究者采用兩步法（首先將碳纖維浸入鋅化物溶液中采用浸漬涂覆法形成種子層，并加熱提高附著力；接著再浸入鋅化物溶液中采用水熱法進(jìn)行ZnO 生長）在碳纖維表面生長 ZnO 納米線，調(diào)節(jié)納米線生長條件，可改變碳纖維比表面積。提高納米線覆蓋率，碳纖維表面由親水變?yōu)槭杷璧K樹脂滲透、潤濕纖維，液態(tài)樹脂在碳纖維增強(qiáng)體中流動(dòng)速度提高。

中科院寧波材料所將氧化石墨烯引入環(huán)氧基上漿乳液中，采用浸漬法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，可以有效調(diào)控碳纖維復(fù)合材料的界面微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而顯著改善碳纖維復(fù)合材料的界面性能。

（3）碳纖維表面構(gòu)建有機(jī)-無機(jī)復(fù)合顆粒

碳纖維表面形成金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)是一種有效的表面結(jié)構(gòu)重建改性方法。在硝酸氧化處理碳纖維表面原位生長出納米多孔金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)，形成了一種新的纖維與樹脂基體界面，可巧妙緩沖內(nèi)/外作用力，使復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度同時(shí)增加。

參考文獻(xiàn)：

1、鄭玉嬰，功能化氧化石墨烯納米帶/EVA復(fù)合材料薄膜的制備及表征，材料工程。

2、劉杰，白艷霞，田宇黎等，電化學(xué)表面處理碳纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響，復(fù)合材料學(xué)報(bào)。

作者：樂心