山西煤化所高模量碳纖維表面處理技術研究取得新進展

2021-01-08 中國科學院

　　由於碳纖維表面惰性，複合材料中碳纖維和基體材料間應力載荷無法有效傳遞，直接影響其性能發揮，限制其規模化應用，工業主要採用陽極氧化法來解決這一問題。高模量碳纖維具有表面晶面尺寸更大、剛性更好、抗彎折性更差、表面惰性更突出的特性（圖1），採用傳統的陽極氧化法進行表面處理，不僅毛絲、斷絲多，而且表面處理效果不均勻，反映在複合材料中界面結合性能明顯偏弱。

　　日前，中國科學院山西煤炭化學研究所碳纖維表面工程課題組在表面改性方面取得新進展。該課題組採用新型非接觸電化學處理方法處理高模量碳纖維，經工藝設計及工藝條件優化，可實現良好處理效果並有效減少導絲輥對纖維絲的磨損，建立了高模量碳纖維的連續化表面處理試驗線。據連續試驗線效果統計：(1) 該工藝對高模量碳纖維無明顯損傷，可大大減少高模量碳纖維在表面處理過程中的毛絲、斷絲發生量；(2) 表面處理後，碳纖維表面元素含量均勻（圖2）、可調控；(3) 經評價與環氧樹脂界面剪切強度值提高55.2%；（4）經第三方單位評價，環氧樹脂複合材料層間剪切強度可達80MPa，彎曲強度可達340MPa，均明顯高於目前國內外報導值。該方法克服了傳統陽極氧化方法的固有缺陷，工藝環境友好，為高性能碳纖維，特別是高模量碳纖維的連續化製備及其應用提供了全新的思路和技術。該研究成果已在2019年度的SAMPE會議上以口頭報告的形式進行了介紹。

 

圖1 高強度碳纖維（左）與高模量碳纖維（右）的結構特徵差異 

 

圖2 經新型表面處理後高模量碳纖維表面的元素mapping分析

 

　　由於碳纖維表面惰性，複合材料中碳纖維和基體材料間應力載荷無法有效傳遞，直接影響其性能發揮，限制其規模化應用，工業主要採用陽極氧化法來解決這一問題。高模量碳纖維具有表面晶面尺寸更大、剛性更好、抗彎折性更差、表面惰性更突出的特性（圖1），採用傳統的陽極氧化法進行表面處理，不僅毛絲、斷絲多，而且表面處理效果不均勻，反映在複合材料中界面結合性能明顯偏弱。
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圖1 高強度碳纖維（左）與高模量碳纖維（右）的結構特徵差異 
 
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