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