《复合材料 Composites》课程教学资源（学习资料）第三章聚合物基复合材料_碳纤维连续阳极氧化处理及其机理的研究_王彥.pdf_大学文库

航空材料学报第13卷碳纤维连续阳极氧化处理及其机理的研究魏月贞李寅 (北京航空材料研究所) (哈尔滨工业大学) 本文采用自制的阳极氧化处理设备,分别以 NH,HSOE、NaC1O、NaOH、HNO3为电解质,对碳纤维进行了表面处理。实验结果表明:经过上述处理的碳纤维其环氧基复合材料的层间剪切强度(11sS)均有较大提高,抗拉强度略有提高,耐冲击性能下降。本文还利用X一射线光电子能谱仪(XPs)、扫描电子显微镜(SEM)等现代分析手段对碳纤维经阳极氧化处理前后的表面元素及官能团种类、含量,碳纤维表面形貌、复合材料的断口形貌进行了分析和研究关键词碳纤维由于碳纤维表面是情性的,表面平滑,表面自由能小,因此,它与树脂基体间的粘结较差,其复合材料的层间剪切强度较低。为了提高碳纤维增强复合材料的层间剪切强度,必须对碳纤维进行表面处理,碳纤维表面处理的方法很多,其中阳极氧化法由于具有处理设备简单、操作方便、处理效果明显、对纤维本体损伤小等优点,愈来愈引起人们的关注、实验方法碳纤维表面的阳极化处理碳纤维连续阳极氧化处理自制装置见图1 碳纤维经滚筒(未画出)导入阳极滚,经电解槽时,由于碳纤维(阳极)表面发生电极反应,生成的初生态氧对其进行氧化刻蚀,通过调节浮子的位置,可以改变电解槽中的碳纤维与石墨阴极间的距离,使流过碳纤维的电流强度为一常数,这可由微安表来显示,利用硒整流器(未画出)上的电压调节,可改变通过碳纤维的电流强度,从面可以在不同电流强度下处理碳纤维,处理时间可以通过安装在装置右端的电动机(未画出)的转速来调节在上述阳极氧化处理碳纤维表面的实验中,分别采用 NIHSO、NaC1O、NaOH和 e1994-2014chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net

12 航空材料学报第13卷从碳纤维表面的XPS分析,碳纤维表面形貌及复合材料断口形貌的SEM分析观察结果,可以很容易地解释产生表1~3结果的原因在进行碳纤维表面的阳极氧化处理时,碳纤维作为阳极。在所采用的NHSO1NaCO NaOH和HNO3电解液中,都含有OH,由」OH具有较低的氧化电位,它将首先在阳极 (碳纤维)表面放电,发生如下的电极反应: lOH-40→2[0]+2H2O→O:↑+2H2O 电解产生的初生态氧对碳纤维表面进行氧化作用及刻蚀过程,一方面使碳纡维表亩变得粗糙,表面沟槽加深,因而增强了碳纤维表面对树脂基体的物理吸附作用;另一方面,氧化的结果在碳纤维表面形成了许多含氧官能团,例如-C-OH、C—、—C-OH C-可能与环氧树脂中的发生如下反应,形成化学键: CH 碳纤维C-OH+O 碳纤维一C-O-CH2CH~ CHESS 0-CH? 碳纤维|C—+O 碳纤维|C O—CH~~~~ 总之,这些物理吸附的增强以及化学键的形成增强了纤维和环氧树脂间的界面结合强度,使复合材料的层间剪切强度提高。单向纤维增强的复合材料在进行0°拉伸时,主要由纤维承担载荷。在纤维方向加力时每根纤维承受的力不可能完余相同。未处理的碳纤维,与树脂基体间粘结较差,树脂不能很好地在纤维闻传递应力.因此,其复合材料的抗拉强度就低;碳纤维经阳极氧化处理后,与树脂间的粘结性有较大改善,树脂能在纤维间很好地传递应力,保证纤维同时受力,受力均匀此,复合材料的抗拉强度有所提高,而且随着碳纤维氧化效果的不同,抗拉强度提高的程度也不同,在一定实验范围内,纤维氧化效果愈好,它与树脂间的结合就愈妤.树脂就能更好地在纤维间传递应力,因此,复合材料的抗拉强度也就愈高。复合材料受冲击破坏时有四种基本方式吸收冲击能:(1)纤维破坏;(2)基体变形和开裂;(3)纤维脱胶和拔出;(4)开裂分层。复合材料受冲击载荷作用时,首先发生变形,如果载荷的能量足够大,复合材料内部便产生新裂纹,它与固有裂纹一起逐步扩展,最后导致复合材料的破坏。对于碳纤维/环氧复合材料来说,纤维和基体均属脆性材料,材料变形较小. 此、吸收的能量较少·冲击性能一般都不好。未处理的碳纤维,与树脂间浸润性较差.界面结合力较小,很小的能量就可使界面产生开裂,所以开裂功较小。当裂纹扩展到纤维附近,在裂尖端形成的高应力拉断纤维之前,由于纤维与树脂间的界面结合不好纤维与树脂基体间界面已肝裂分层造成裂纹转换厅向沿纤维轴向扩展。由于改变了裂纹扩展方向,增加了裂 o1994-2014ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

航空材料学报第 3 卷 1 从碳纤维表面的分x 析P s , 碳纤维表面形貌及复合材料断口形貌的 s E M 分析观察结梁 , 可以很容易地解释产生表 1~ 3 结果的原因。在进行碳纤维表面的阳极氧化处理时 . 碳纤维作为阳极。在所采用的 N H . s o 、、 N a C 旧、 N a 0 H 和 H N o 。电解液中 , 都含有 o H 一 , 由 J 二 o H 一具有较低的氧化电位 , 它将首先在阳极 ( 碳纤维 ) 表面放电 , 发生如下的电极反应 : 4 o H 一 40 ~ 2 〔O 〕 + Z H Z o 一。 : 个+ Z H Z o 电解产生的初生态氧对碳纤维表面进行氧化作用及刻蚀过程 , 一方面使碳纤维表面变得粗糙 , 表面沟槽加深 , 因而增强了碳纤维表而对树脂基体的物理吸附作用 ; 另一方面 , 氧 0 0 0 }】 }{ {} 化的结果在碳纤维表面形成了许多含氧官能团 . 例如一毛一习 H 、一￡一、一( : 一一 O H 、 }4 义一「了于能与环氧树脂中的、产 ~ 、 C H — C H 。 \ 厂 o 发 ’ } 几如「反应 , 形成化学键 : O 0 l 碳纤维 { 一￡一。 H + 0 三碳纤绷毕一。、 H Z 、 H一 O H 2 一 H 月 | 。戈!l 。 {} / 碳纤维 } 一( {一十 O \ } C H 一 C H Z 1 三碳纤维 , C C H 总之 , 这些物理吸附的增强以一及化学键的形成增强了纤维和环氧树脂间的界面结合强度 , 使复合材料的层间剪切强度提高。单向纤维增强的复合材料在进行 0 。拉伸时 , 主要由纤维承担载荷。在纤维方向加力时 . 睡根纤维承受的力不可能完全相同。未处理的碳纤维 , 与树脂基体间粘结较差 , 树脂不能很好地在纤维问传递应力 . 因此 , 其复合材料的抗拉强度就低 ; 碳纤维经阳极氧化处理后 . 与树脂间的粘结性有较大改善 , 树脂能在纤维间很好地传递应力 , 保证纤维同时受力 , 受力均匀 . 因此 , 复合材料的抗拉强度有所提高 , 而且随着碳纤维氧化效果的不同 , 抗拉强度提高的程度也不同 , 在一定实验范围内 , 纤维氧化效果愈好 , 它与树脂间的结合就愈好 , 树脂就能更好地在纤维间传递应力 , 因此 , 复合材料的抗拉强度也就愈高。复合材料受冲击破坏时有四种基本方式吸收冲击能 : ( 1) 纤维破坏 ; ( 2) 基体变形和开裂; ( 3) 纤维脱胶和拔出; ( 4) 开裂分层。复合材料受冲击载荷作用时 , 首先发生变形 , 如果载荷的能量足够大 , 复合材料内部便产生新裂纹 . 它与固有裂纹一起逐步扩展 , 最后导致复合材料的破坏。对于碳纤维 / 环氧复合材料来说 . 纤维和基体均属脆性材料 , 材料变形较小 . 因此 , 吸收的能量较少 , 冲击性能一般都不好。未处理的碳纤维 , 与树脂间浸润性较差 , 界而结含力较小 , 很小的能量就可使界面产生开裂 . 所以开裂功较小。当裂纹扩展到纤维附近 , 在裂坟尖端形成的高应力拉断纤维之前 , 由于纤维与树脂间的界面结合不好 , 纤维与树脂基体问界而已开裂分层 . 造成裂纹转换方向 , 沿纤维轴向扩展。由于改变了裂纹扩展方向 , 增加 J ’ 裂

第2期碳纤维连续阳极氧化处理及其机理的研究 43 纹扩展途径;形成较多的分层裂纹,且未处理的碳纤维其复合材料断裂时,纤维脱胶和拔出较多因此扩展功较高,总冲击能相对较大。碳纤维经阳极氧化处理后,与树脂间的界面结合力增大,当受冲击载荷作用时界面不易破坏,故开裂功较高。但当能量达到一定值后,复合材料内部开始产生新的裂纹,它易沿裂纹峰方向扩展,而不沿界面扩展,导致复合材料呈脆性破坏,所以,复合材料的扩展功较低,总冲击能也降低四、结论 1.经阳极氧化处理后的碳纤维其复合材料的层间剪切强度有较大提高,最高可提高 70.3%,与等离子体处理效果相当,复合材料的层间剪切强度接近日本T-300水平 2.经阳极氧化处理的碳纤维其复合材料的抗拉强度略有提高,在一定实验范围内,碳纤维表面氧化效果愈好,复合材料的抗拉强度就愈大 3,经阳极氧化处理的碳纤维其复合材料的抗冲击性能下降。 1.阳极氧化处理后,碳纤维表面含氧量明显增加,含氮量稍有增加,C-OH明显增多 5.阳极氧化处理后的碳纤维表面沟槽明显加深,其复合材料断口处·纤维很少从树脂中拔脱,纤维上粘有一定量的树脂,说明纤维与树脂间的粘结性得到改善。 THE STUDY ON CONTINOUSLY ANODIC OXIDATION OF CARBON FIBRES AND ITS MECHANISM Wang Yan Wei Y ue Zhen Li Y in ABSTRACT The apparatus designed and made by the author for continously anod ic oxidation is used in this paper NH, HSO. NaClO, NaOH, and HNO2 are used as electrolytes. The result is that the ILSS of the composites of carbon fibres treated with anodic oxidation is increased greatiy and that the tensile strength of its com posites is increased unobtrusively and that the impact strength of its composites is decreased. XPS is used to study the elemental kinds and quantity and the polar functionalgroups of the surface of carbon fiores. SEM is used to study the aspect of the surface of carbon fibres and the fracture of its com Key Words Carbon fibres o1994-2014ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

第期 2 碳纤维连续阳极氧化处理及其机理的研究纹扩展途 . 径形成 ; 较多的分层裂纹 , 且未处理的碳纤维其复合材料断裂时 , 纤维脱胶和拔出较多 , 因此扩展功较高 , 总冲击能相对较大。碳纤维经阳极氧化处理后 , 与树脂间的界面结合力增大 , 当受冲击载荷作用时界面不易破坏 , 故开裂功较高。但当能量达到一定值后 , 复合材料内部开始产生新的裂纹 , 它易沿裂纹峰方向扩展 . 而不沿界面扩展 , 导致复合材料呈脆性破坏 . 所以 , 复合材料的扩展功较低 , 总冲击能也降低。四、结论经阳极氧化处理后的碳纤维其复合材料的层间剪切强度有较大提高 , 最高可提高 70 . 3 % , 与等离子体处理效果相当 , 复合材料的层间剪切强度接近日本 T 一 3 0 水平。 2 . 经阳极氧化处理的碳纤维其复合材料的抗拉强度略有提高 , 在一定实验范围内 , 碳纤维表面氧化效果愈好 , 复合材料的抗拉强度就愈大。 3 . 经阳极氧化处理的碳纤维其复合材料的抗冲击性能下降。 0 }} 4 . 阳极氧化处理后 , 碳纤维表面含氧量明显增加 , 含氮量稍有增加 , 一{ !一o H 明显增多。 5 , 阳极氧化处理后的碳纤维表面沟槽明显加深 , 其复合材料断口处 , 纤维很少从树脂中拔脱 , 纤维上粘有一定量的树脂 , 说明纤维与树脂间的粘结性得到改善。参考文献 ( 略 ) T H E S T U D Y O N C O N T IN O U S L Y A N O D I C O X I D A T IO N O F C A R B O N F I B R E S A N D I T S M E C H A N I S M W a n g Y a n W e i Y u e Z h e n L i Y in A B S T R A C T 一 r h e a P P a r a t u s d e s ig n e d a n d m 奋l d e b y t h e a u t h o r f o r e o n t i n o u s l y a n o d i e o x id a t i o n 15 u s e d i n t h i s P a P e r . N H ; H S O ; 、 N a C 10 、 N a 0 H 、 a n d H N O Z a r e u s e d a s e l e c r r o l y t e s . T h e r e s u l t i s t h a t t h e I L S S o f t h e e o m P o s i t e s o f e a r b o n f ib r e s t r e a t e d w i t h a n o d i e o x id a t i o n 1 5 i n e r e a s e d g r e a t l y a n d t ! l a t t h e t e n s il e s t r e n g t h o f i t s e o m - P o s i t e s 15 i n ` 、 r e a s e d u n o b t r u s i v e l y a n d t h a t t h e im P a e t s t r e n g t h o f i t s e o m P o s i t e s 1 5 d e e r e a s e d · X P S 15 u s e d r o s t u d y t h e e l e m e n t a l k i n d s a n d q u a n t it y a n d t h e P o l a r f u n e t i o n a lg r o u P s o f t h e s u r af c e o f e a r b o n fi o r e s · S E M 1 5 t ls e d t o s t u d y t h e a s P e e t o f t h e s u r f a e e o f e a r b o n f ib r e s a n d t h e fr a e t u r e o f j t s e o m - P o s it e s · K e y W o r d s C a r b o n f ib r e s

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