碳纤维氧化处理与界面的研究ppt课件.ppt

谢 谢！ 碳纤维概述、分类及结构 碳纤维的氧化处理 界面的研究方法 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(1500oC)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。被大量用作复合材料的增强材料，用碳纤维制成的树脂基复合材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，因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。 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 沥青基石墨纤维端口，石墨片从芯部向外经向辐射，纤维表面有较浅的沟槽 碳纤维的结构 理想的石墨点阵结构属六方晶系，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 石墨层片 碳纤维 石墨微晶 乱层结构 石墨原纤 条带结构 石墨层片的缺陷及边缘碳原子 石墨微晶 乱层结构 最基本的结构单元 碳纤维的二级结构单元 原纤维 碳纤维的三级结构单元： 石墨微晶组成原纤维，直径50nm左右，长度数百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。 最后由原纤维组成碳纤维的单丝 表面裂纹 表面沉积物 表面毛纤 表面机械损伤 内裂纹 内孔洞 短切碳纤维 镀镍碳纤维 碳纤维织物 碳纤维不织布 ※对碳纤维进行表面处理的目的： ① ② ③ ④ 提高碳纤维表面与树脂的反应活性 增加碳纤维与树脂基体的粘接强度 改变碳纤维表面的物理化学状态 调节复合材料的界面相容性 碳纤维的表面处理 碳纤维经过表面处理后，拉伸强度和拉伸模量基本不下降； 经表面处理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。 碳纤维表面处理的效果 ①气相氧化 ②液相氧化 ③气液双效法 ④电化学氧化法 碳纤维的氧化处理 CF的氧化处理 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，处理时应避免过度氧化。 贺福[1]等用O3 氧化法对碳纤维的表面进行氧化处理，使碳纤维复合材料(CFRP) 的层间剪切强度提高了40 %～76 % ，他们将原因归于纤维表面的化学官能团和比表面积的增加，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行氧化处理,发现氧化处理的纤维和未处理的纤维表面最大的区别是处理后的纤维表面有较多的羰基。 氧化处理的纤维增强的复合材料，其剪切强度比未处理的提高了69 % ,因此他们也将原因主要归于纤维表面官能团的改变，认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，从而改善了复合材料的性能。 液相氧化 2.2液相氧化 液相氧化中使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。液相氧化的方法比较温和，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，但应注意氧化剂与氧化工艺的选择要适当，才能达到理想的效果。 硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团,这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增多。氧化后的碳纤维表面所含的 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认为是多种氧化剂中最有效的。 杜慷慨等[3]的研究说明了氧化工艺(氧化温度和时间) 的重要性,他们用硝酸作为氧化剂,发现纤维表面的羧基等有用基团随氧化温度的升高和时间的延长而增多, 但当温度超过100 ℃和氧化时间超过2h ,虽然含氧基团迅速增多,但过度氧化导致纤维强度降低,反而导致复合材料的性能降低。 液相氧化 赵东宇等[4]的研究结果表明,用15 %KClO3 + 40 %H2 SO4 混合溶液处理对碳纤维表面改性效果显著，这种混合溶液是一个较温和的氧化体系，氧化反应的结果只是增加了羧基。 羧基的增加提高了纤维表面的极性，从而改善纤维与树脂的浸润性，有利于界面结合。