第14卷第2期 复合材料学报 oL. 14 No. 2 1997年5月 ACTAMATERIAE COM POSITAE SINICA May 1997 碳纤维表面的电聚合改性研究 张复盛 胡卢广 (北京航空航天大学材料科学与工程系,北京100083) 摘要本文用循环伏安法,测定了几种烯类单体水溶液体系在碳纤维表面的伏一安曲线,选出 了各自相应的最佳聚合电位。以碳纤维为电极,在最佳电位下,进行了上述溶液体系的间断法 续法电聚合作业。使用扫描电镜,对碳纤维表面电聚合涂层的形貌、厚度进了研究。测定了经电聚 合处理后的碳纤维的单丝拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率的变化。用上述方法处理过的碳纤 维/环氧树脂基复合材料,层剪强度有了大幅度提高,冲击强度也有了明显改善 关键词碳纤维,表面改性,电聚合 中图分类号V258.3 碳/环氧复合材料,具有很高的比强度和比模量。这一优势,为复合材料的设计,开创了 个新的时代,已被广泛应用于航空航天工业中。然而,碳/环氧复合材料的冲击强度不高。这 缺陷,一直在制约着复合材料制件的设计工作。极大地提高复合材料的冲击强度,而又不损失 其原有的剪切强度和其它力学性能,这一直是人们期盼的研究结果 由于纤维/基体界面是复合材料中应力集中最严重的区域,人们试图在纤维和基体之间 置入一个能够吸收能量的中间层,借此提高复合材料的冲击强度,又不削弱纤维和基体之间的 粘结强度 Broutm an and agar al's2认为,界面模量为69MPa,就可以使复合材料获得最高的冲击 强度,而又不削弱其拉伸强度。这一数值正好和处于玻璃化转变状态下的高聚物的模量相当。 Xan thos也提出了在复合材料界面区,设置韧性聚合物中间层,提高冲击强度的想法。 然而,如何在每一根纤细的碳丝表面均匀地涂覆上一层高聚物,绝非易事。每当纤维束浸 入高聚物溶液,纤维和高聚物就彼此粘附在一起,干燥之后,纤维束就是硬棒状,使复合材料的 制造难以实现。为了在每一根碳丝表面获得一个涂覆均匀、具有一定厚度的高聚物涂层,人们 使用了电化学聚合的方法。该方法是以碳纤维作电极,在单体溶液中,借助电化学的引发作用, 在碳丝表面实现单体的聚合反应。该方法具有设备简单、工艺参数容易调节和控制的优点 R.V. Subram anian14是最旱使用电聚合法对碳纤维进行改性的学者。目前,这项技术在 理论和实践方面都取得了很大进展 我们选择了几种具有水溶性的烯类单体,配成一定浓度的溶液,用碳纤维作为工作电极, 铂金片作为辅助电极,研究了各相应体系的电聚合行为。经测定,发现经电聚合处理之后的碳 纤维单丝的拉伸强度、拉伸模量、以及断裂伸长率都有明显提高,复合材料层板的层剪强度有 本无1967月5日收到:96点收利初种:瓶科学助项目ightsreservedhttp:/w第 14 卷 1997 年 第 2 期 5 月 复 合 材 料 学 报 ACT A M AT ERIAE COM POSITAE SINICA Vol. 14 No . 2 May 1997 本文于 1996 年 7 月 5 日收到修改稿, 1996 年 3 月 6 日收到初稿。航空科学基金资助项目 碳纤维表面的电聚合改性研究 张复盛 胡卢广 ( 北京航空航天大学材料科学与工程系, 北京 100083) 摘 要 本文用循环伏安法, 测定了几种烯类单体水溶液体系在碳纤维表面的伏—安曲线, 选出 了各自相应的最佳聚合电位。以碳纤维为电极, 在最佳电位下, 进行了上述溶液体系的间断法和连 续法电聚合作业。使用扫描电镜, 对碳纤维表面电聚合涂层的形貌、厚度进了研究。测定了经电聚 合处理后的碳纤维的单丝拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率的变化。用上述方法处理过的碳纤 维/ 环氧树脂基复合材料, 层剪强度有了大幅度提高, 冲击强度也有了明显改善。 关键词 碳纤维, 表面改性, 电聚合 中图分类号 V258. 3 碳/ 环氧复合材料, 具有很高的比强度和比模量。这一优势, 为复合材料的设计, 开创了一 个新的时代, 已被广泛应用于航空航天工业中。然而, 碳/ 环氧复合材料的冲击强度不高。这一 缺陷, 一直在制约着复合材料制件的设计工作。极大地提高复合材料的冲击强度, 而又不损失 其原有的剪切强度和其它力学性能, 这一直是人们期盼的研究结果。 由于纤维/ 基体界面是复合材料中应力集中最严重的区域[ 1] , 人们试图在纤维和基体之间 置入一个能够吸收能量的中间层, 借此提高复合材料的冲击强度, 又不削弱纤维和基体之间的 粘结强度。 Broutman and Ag arw al′s [ 2]认为, 界面模量为69MPa, 就可以使复合材料获得最高的冲击 强度, 而又不削弱其拉伸强度。这一数值正好和处于玻璃化转变状态下的高聚物的模量相当。 Xan thos [ 3]也提出了在复合材料界面区, 设置韧性聚合物中间层, 提高冲击强度的想法。 然而, 如何在每一根纤细的碳丝表面均匀地涂覆上一层高聚物, 绝非易事。每当纤维束浸 入高聚物溶液, 纤维和高聚物就彼此粘附在一起, 干燥之后, 纤维束就是硬棒状, 使复合材料的 制造难以实现。为了在每一根碳丝表面获得一个涂覆均匀、具有一定厚度的高聚物涂层, 人们 使用了电化学聚合的方法。该方法是以碳纤维作电极, 在单体溶液中, 借助电化学的引发作用, 在碳丝表面实现单体的聚合反应。该方法具有设备简单、工艺参数容易调节和控制的优点。 R. V . Subramanian [ 4]是最旱使用电聚合法对碳纤维进行改性的学者。目前, 这项技术在 理论和实践方面都取得了很大进展。 我们选择了几种具有水溶性的烯类单体, 配成一定浓度的溶液, 用碳纤维作为工作电极, 铂金片作为辅助电极, 研究了各相应体系的电聚合行为。经测定, 发现经电聚合处理之后的碳 纤维单丝的拉伸强度、拉伸模量、以及断裂伸长率都有明显提高, 复合材料层板的层剪强度有