對于碳纖維而言，良好的柔軟性、縱軸方向的高強(qiáng)度，超強(qiáng)的抗拉力都是材料界中難得一見的優(yōu)點(diǎn)，因此人們對它有諸多贊譽(yù)，還賜予了“黑黃金”的美稱。

在原子層面，碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六邊形模式（石墨烯薄片）排列的碳原子所構(gòu)成。兩者差別在于層與層之間的連結(jié)的方式。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連結(jié)松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連結(jié)是不規(guī)則的。這樣便防止滑移，增強(qiáng)物質(zhì)強(qiáng)度。憑借著優(yōu)異的性能，碳纖維在新型功能復(fù)合材料的合成方面有著非常重要的用途，航空航天、汽車制造、建筑工程、生物醫(yī)療等都是它的重點(diǎn)發(fā)揮領(lǐng)域。

碳纖維汽車骨架

不過人無完人，物無十全，碳纖維本身固有的物理化學(xué)特性，依舊使其存在著許多致命的缺點(diǎn)，主要概括為以下幾個(gè)方面：

①碳纖維是脆性材料，徑向剪切應(yīng)力不大。受力過大時(shí)，碳纖維直接斷裂，而且損壞后基本無法修復(fù)，只能重新更換材料。如一塊碳纖維復(fù)合板材開裂，必須將整塊板材更換掉，無法通過焊接等常規(guī)手段進(jìn)行修補(bǔ)。

②碳纖維屬于碳素材料，高溫氧化氣氛下，碳纖維的結(jié)構(gòu)、性能劣化成為限制其安全、穩(wěn)定應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

③碳纖維是電阻型損耗的非磁性材料，介電常數(shù)較大，單獨(dú)使用時(shí)其吸收頻帶窄，吸波性能有限。

④碳纖維加工工藝較復(fù)雜。目前碳纖維的制備方法雖然很多，但普遍不夠完善，而且利用不同原料和不同工藝條件制得的碳纖維其性能差異很大，價(jià)格普遍昂貴。

碳纖維可被編制成絲束、織布、和氈狀等

目前已有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)碳纖維處于溫度超過400℃的含氧環(huán)境中時(shí)就會(huì)開始被氧化，并且隨著外界環(huán)境溫度的升高，碳纖維氧化速率逐漸增大，造成碳纖維質(zhì)量損耗，使材料性能降低甚至失效。為了克服這一點(diǎn)主要可采取的措施有碳纖維基體改性和表面涂層改性兩種，下面便來了解一下相關(guān)的工藝技術(shù)。

一、碳纖維基體改性

碳纖維基體改性的基本原理就是向材料基體內(nèi)加入氧化抑制劑，常見工藝有氣相滲透法、浸漬改性法和固體顆粒摻雜復(fù)合法等。這些氧化抑制劑在高溫條件下能夠形成玻璃相，其良好的流動(dòng)性能夠填充材料基體內(nèi)部的孔隙，減少材料與氧氣的接觸面積，提高碳纖維的高溫抗氧化性。常用的氧化抑制劑有硼化物（如B₂O、BN、B₄C₃等）和硅化物（如SiO₂、SiC、Si₃N₄等）。

基體改性法中，添加劑的使用會(huì)不同程度地改變原材料的成分，影響碳纖維本身優(yōu)異性能的發(fā)揮。同時(shí)該方法不能夠完全地將碳纖維與外界氧隔離開來，高溫抗氧化性能的提高程度有限，使用溫度一般在 1000℃以下。

二、碳纖維表面涂層改性

碳纖維表面涂層改性就是在碳纖維表面制備出涂層，依靠涂層材料的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性，阻礙纖維表面與外界含氧氣氛的直接接觸，從而達(dá)到提高碳纖維高溫抗氧化性的目的。與基體改性法相比，涂層法能夠不以犧牲碳纖維自身的優(yōu)異性能為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)對碳纖維的高溫抗氧化保護(hù)。

但不是什么材料都能夠作為高溫抗氧化涂層使用，它至少應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求：①不與碳纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；②與碳纖維之間有良好的物理相容性；③與碳纖維之間有良好的化學(xué)相容性；④具有高的熔點(diǎn)和低的飽和蒸汽壓；⑤具備較低的氧氣滲透率，同時(shí)不能對氧化反應(yīng)有催化效應(yīng)；⑥致密性盡可能高，具備高溫自愈合能力，即能夠高溫下形成流動(dòng)的玻璃相，進(jìn)一步填充基體表面及內(nèi)部的裂紋、孔隙等缺陷，提高碳纖維的高溫抗氧化性。

目前用于碳纖維的表面涂層種類有很多，主要分為玻璃涂層、金屬涂層、陶瓷涂層和復(fù)合涂層等。

1.玻璃涂層

玻璃涂層是早期研發(fā)的一種高溫抗氧化涂層，玻璃涂層的種類由最初的 B₂O₃玻璃逐步發(fā)展到硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、以及復(fù)合玻璃涂層體系等。玻璃涂層的工藝較為簡單，原料容易獲取，制備成本低。但單一的玻璃涂層一般在 600~1100℃有抗氧化保護(hù)作用，更高溫度下流動(dòng)性很大且容易揮發(fā)，大大降低涂層在高溫條件下的使用壽命。尤其對于需要承受在嚴(yán)苛條件變化的航空航天材料，玻璃涂層顯然不是最理想的選擇。

2.金屬涂層

金屬涂層具有較高的熔點(diǎn)，能夠有效改善碳纖維的高溫抗氧化性。 Hua等人采用電鍍法在碳纖維表面合成出連續(xù)均勻的Ni涂層（如下圖所示）。與初始碳纖維相比，Ni涂層碳纖維的高溫抗氧化性能有所提升。并且該研究還發(fā)現(xiàn)，Ni涂層在改善碳纖維與金屬鋁的潤濕性方面也有顯著效果。

(a)Ni涂層保護(hù)碳纖維的SEM形貌；(b)未涂層碳纖維與Ni涂層保護(hù)碳纖維的熱重分析曲線

除作為高溫抗氧化材料之外，金屬涂層還是良好的磁性物質(zhì)，與碳纖維結(jié)合形成同軸結(jié)構(gòu)材料，可以形成具有電磁雙重吸收機(jī)制的吸波材料，在提高吸波性能方面具有傳統(tǒng)單一吸波材料所無法比擬的優(yōu)勢。

3.陶瓷涂層

陶瓷涂層具有高強(qiáng)度、良好的高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性等優(yōu)勢，是迄今為止研究最多、最深入的涂層體系。常見陶瓷涂層主要有：氧化物、氮化物、碳化物涂層等。

①氧化物涂層

常見的氧化物涂層有 TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂等。如曾慶冰等人以鈦酸乙酯為前驅(qū)體，采用溶膠凝膠法在碳纖維表面合成出了TiO₂陶瓷涂層。改性后的碳纖維高溫抗氧化性能有了明顯提高，并且在400℃的高溫下煅燒6，其單絲拉伸強(qiáng)度無明顯降低。中南大學(xué)的唐益群等人采用溶膠凝膠法，在碳纖維表面合成出 SiO₂涂層（下圖a）。經(jīng)過涂層改性后的碳纖維起始氧化溫度為650℃，比未涂層碳纖維高出200°C（下圖b）。

②氮化物涂層

目前比較常見的氮化物涂層有 BN、Si₃N₄、AIN等。Li等人以環(huán)硼氮烷為前驅(qū)體，采用 CVD 法在碳纖維表面合成出 BN涂層（如下圖）。韋永山等人采用溶液浸漬法，在碳纖維表面制備出高純度的h-BN 涂層，涂層與碳纖維的界面結(jié)合性良好，表面沒有開裂剝落現(xiàn)象，在 850℃的高溫下仍能保持良好的熱穩(wěn)定性。

③碳化物涂層

由于C與碳化物的界面化學(xué)穩(wěn)定性高，因此，碳化物涂層常被作為碳纖維高溫抗氧化保護(hù)涂層的首選之一。Dongli等人采用熔融鹽法，在碳纖維表面合成出TiC涂層（圖1-9a和1-9b）。Gerrit HackI10等采用CVD法，碳纖維表面合成出了15nm厚度的SiC涂層以及73nm厚度的TiN涂層。與未涂層的碳纖維相比，涂層后的碳纖維高溫抗氧化性能得到改善。

④復(fù)合涂層

復(fù)合涂層就是將幾種單一涂層進(jìn)行合理的復(fù)合化，形成多相復(fù)合涂層體系，通過各涂層之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)碳纖維高溫抗氧化的多重保護(hù)作用。張雨雷等人采用兩部包埋法，在碳材料表面形成 C/SiC/Si-Mo-Cr高溫抗氧化復(fù)合涂層。在1600℃的高溫下，氧化防護(hù)時(shí)間長達(dá)135h，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗氧化性能。另外常見的復(fù)合涂層還有 Al₂O₃-ZrO₂、Al₂O₃-TiO₂、Cu-ZrO₂涂層等。

資料來源：

高能微波輻照法快速制備C/SiC同軸纖維及其抗氧化性能，趙甜甜。

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