碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究

 1碳纤维概述

  碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，是一种高性能的先进非金属材料。根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（pan）系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、人造丝系碳纤维等。其中聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90％以上。由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能也不一样。根据力学性能的不同，碳纤维可分为超高强度碳纤维（uhs）、高强度碳纤维（hs）、超高模量碳纤维（uhm）、高模量碳纤维（hm）、中等模量碳纤维（mm）、普通碳纤维等等。

  我国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。目前，利用自主技术研制的少数国产t300、t700碳纤维产品已经达到国际同类产品水品。但是与国际水平相比，国产碳纤维强度低、平均稳定性差、毛丝多、品种单一且价格昂贵，而且国内碳纤维总生产能力较小，不能满足国内的需要，仍需大量进口。这些都严重影响了我国高新技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济发展进程不相称。所以研制生产高性能和高质量的碳纤维以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。

  碳纤维具有石墨的基本结构，但不是理想的石墨点阵结构，而是所谓的乱层石墨结构。在碳纤维形成过程中，其表面会形成各种微小的缺陷，碳纤维的表面活性与处于边缘和缺陷位置的碳原子数目有关。碳纤维的密度小，质量轻，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2；具有优异的力学性能，热稳定性优良等优点。

  2碳纤维复合材料

  尽管碳纤维单独使用发挥某些功能，但它属于脆性材料，只有将它基体材料牢固地结合在一起时，才能有效发挥其优异的力学性能。因此，碳纤维主要用作复合材料中的增强相。目前用途最广的是碳纤维增强树脂基复合材料。主要分为两大类：一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成；成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解熔融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。

  与传统材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，不仅在军事国防、航空航天等尖端领域，在汽车、电子电器、体育用品等民用领域也得到了广泛的应用。

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