电化学改性PAN基碳纤维表面及其机理探析

表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一. 采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表征方法, 研究了改性聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的表面状态, 探讨了电化学氧化法对碳纤维表面的改性机理. 研究结果表明, 在电化学的化学刻蚀作用下, 碳纤维表面薄弱外层被去除, 表面原有沟槽加宽加深, 表面粗糙度增大了1倍多;在电化学的化学氧化作用下, 碳纤维表面的活性官能团增多, (O1s+N1s)/C1s提高了9.7%. 并提出了电化学氧化同时改善了碳纤维的表面物理状态和表面化学状态的 “物化双效”机理.     

有机电解液电化学改性PAN基碳纤维的表面性能

分别采用脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯、三乙醇胺和脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯铵盐3种有机电解液对PAN基碳纤维进行电化学氧化改性,通过化学滴定法、单纤维断裂强度测试和场发射扫描电镜考察改性前后碳纤维表面酸性官能团含量、力学性能及表面形貌的变化规律,得到电化学改性的最佳条件:浓度5%(质量分数)的O_3PNH_4乳液为电解液,电流密度为2A/g,恒温50℃电化学氧化2min。针对改性处理后的碳纤维的表面性能,进行X射线光电子能谱和单纤维接触角测试。结果表明:以O_3PNH_4为电解液对碳纤维电化学改性,可以在不影响碳纤维力学性能的前提下,增加碳纤维表面的酸性官能团,提高碳纤维的表面能。     

电解液对PAN-基碳纤维电化学改性效果的影响

分别采用磷酸、氢氧化钠和碳酸氢铵3种电解液对PAN-基碳纤维进行电化学改性处理,研究电解液种类对碳纤维电化学改性效果的影响规律.通过酸碱滴定法、原子力显微镜表征和复合材料界面剪切强度(IFSS)测试,分析纤维表面酸性官能团含量、表面形貌及其复合材料界面强度的变化规律.研究结果表明:采用磷酸和氢氧化钠电解液处理时,纤维表面酸性官能团含量随着电流强度的增加先迅速增大而后逐渐减少,电流强度为0.4 A/g时达到最大值;采用碳酸氢铵电解质时,纤维表面酸性官能团含量随着电流强度的增大先缓慢增大而后迅速减少,电流强度为1.4 A/g时达到最大值.针对纤维表面形貌的AFM分析表明,在磷酸和氢氧化钠电解液中处理时,复合材料的IFSS主要受纤维表面刻蚀作用的影响,而采用碳酸氢铵电解液处理时,复合材料的IFSS主要受纤维表面酸性官能团含量的影响.     

聚丙烯腈基碳纤维电化学改性机理研究

以NH4HCO3为电解质对碳纤维和石墨纤维进行电化学改性处理,通过SEM、WAXD、XPS对比分析了电化学改性对碳纤维和石墨纤维表面及本体结构的影响.结果表明电化学处理使碳纤维表面破坏严重,轴向沟槽消失,呈现出粗糙不平的表面,石墨纤维表面的轴向沟槽加深.电化学处理后二者的本体结构没有改变.从纤维内部结构分析了碳纤维电化学改性机理,杂原子的存在使碳纤维表面更易氧化刻蚀.     

聚丙烯腈基碳纤维电化学改性研究现状与展望

综合论述了聚丙烯腈基(PAN)碳纤维电化学表面改性处理研究的发展现状,对比分析了碳纤维电化学改性处理法的研究内容及表征手段,指出了存在的问题,并展望了碳纤维表面电化学改性处理的研究前景.在碳纤维改性工艺参数的研究工作中,为了使实验结果有可比性,迫切需要一套标准来规范实验条件及性能表征方法,而为了更好地体现碳纤维复合材料的性能优势,仍需不断探索和研究碳纤维的电化学改性机理.为使复合材料的性能更好地达到应用要求,有必要提出碳纤维表面改性模型及界面理论.     

电化学氧化处理对PAN基炭纤维表面浸润性的影响

以硫酸铵为电解质,对炭纤维进行连续电化学氧化处理,利用反气相色谱(IGC)研究电化学氧化处理前后的表面能变化,并联系SEM、AFM、XRD、Raman、XPS等测试结果综合分析电化学氧化处理对炭纤维表面性能的影响。研究表明,经电化学氧化处理后,纤维沿轴方向表面沟槽加深加宽,薄弱层被剥除,晶格择优取向遭到破坏;纤维表面活性官能团增多,氧和氮含量分别增加了180%和65%,提高了纤维与树脂的粘结性;纤维表面能提高了3.1倍,与树脂的浸润性得到改善;电化学氧化处理后其复合材料的ILSS达109MPa,已可充分满足实际应用需求。     

电化学表面处理PAN基炭纤维的表面性能研究

以NH4HCO3为电解质对PAN基炭纤维进行了连续表面处理，并利用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)和自动电位滴定等方法，系统研究了电化学氧化反应后炭纤维表面石墨微晶尺寸的变化规律，推导出微晶宽度(La)、微晶厚度(Lc)与电流密度(J)之间存在线性天系式；同时，经电化学氧化处理后，炭纤维表面含氧官能团的摩尔分数增加8．54％，表面吸附水的摩尔分数增加5．34％，使其表面由憎液性变为亲液性，这有利于提高炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层问剪切强度(ILSS)。     

碳纤维表面改性及其对碳纤维/树脂界面影响的研究进展

碳纤维具有优异的性能,常用于树脂基体的增强。然而,碳纤维表面具有疏水性和化学惰性,导致其与树脂基体间的界面粘结性较差,因此,有必要对碳纤维进行表面改性。综述了近几年国内外碳纤维表面改性方法的研究进展,以及这些改性方法对碳纤维与树脂基体界面性能的影响,并将这些表面改性方法分为湿化学法改性、干法改性、纳米材料改性三大类,具体的改性方法包括上浆剂改性、等离子体改性、纳米粒子改性等,并对纳米材料改性作了较详细的介绍,希望能为碳纤维表面改性提供一些帮助。     

XPS,AFM研究沥青基碳纤维电化学表面处理过程的机制

对各向同性沥青基碳纤维进行电化学氧化表面处理,用XPS,AFM分析了碳纤维表面含氧官能团和表面微观形貌的变化过程。实验结果表明:电化学氧化处理是表面碳及其含氧官能团逐步被氧化成羧基和CO₂的过程。氧化处理首先是使碳纤维表面变得更光滑,持续氧化后才会出现沟槽,SEM的分辨率不足以表征碳纤维电化学氧化前后的表面形貌变化,而采用AFM可在纳米尺度上表征碳纤维在电化学氧化过程中的表面形貌变化。AFM和XPS的结合可表征碳纤维电化学氧化表面处理的进程。     

电子束固化树脂基复合材料中碳纤维表面改性研究

利用阳极氧化方法和偶联剂对碳纤维表面的物理和化学性质进行改性，采用原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）分析了碳纤维表面改性前后的形貌和化学成分的变化，利用Keaelble法计算了碳纤维的表面能。研究结果表明，阳极氧化改性的碳纤维表面粗糙度增加，表面活性；表面活性官能闭增多，表面能中极性成分增加明显，碳纤维表面引入的活性氮和化学吸附的碱性物质使电子束固化复合材料界面处的引发剂中毒，复合材料界面性能减弱，与电子束固化工艺相匹配的偶联剂在碳纤维与树脂基体之间形成化学桥，使电子束固化复合材料界面性能得到明显提高。     

电化学氧化对炭纤维界面性质的影响

对粘胶基炭纤维进行电化学氧化表面处理，对表面处理前后的炭纤维进行强力测试，分析表面处理条件对炭纤维强度的影响，通过测定炭纤维与几种浸润液的接触角，分析了电化学氧化表面处理对炭纤维浸润特性的影响，在电镜下观察表面处理前后炭纤维表面形貌的变化，并测其比表面积的变化，分析处理条件对其表面粗糙度的影响，通过炭纤维的拉曼散射，分析表面处理前后炭纤维表面微晶大小的变化，最后，对处理前后炭纤维的相关性能指标进行比较，分析其性能变化的机理及其性能变化对炭纤维复合材料界面粘结性能的影响。     

阳极氧化表面处理对碳纤维性能的影响

通过对国产PAN基碳纤维和沥青基碳纤维阳极氧化处理,得到了两种纤维的性能(σ_f,Cox/Cgr,表面形态)随阳极氧化处理条件变化的关系.实验结果表明,阳极氧化能较大地增加碳纤维表面的化学活性和物理活性.碳纤维经阳极氧化后,表面形成①—C—OH,②—C—OH=O,—O—C—O—,③—C=O,④R—CO₃—四种类型的含氧官能团,随阳极电位的升高,表面含氧官能团含量增加.阳极处理后的碳纤维,在其表面形成了微细缺陷,缺陷的形状因纤维的种类不同而不同.阳极电位是影响碳纤维性能最关键的电极参数.     

高温渗硼对炭纤维微观结构的影响

选用日本东邦THA-3K型炭纤维经过硼化物溶液浸渍,然后在1900℃-2500℃温度范围内进行了高温热处理,采用X-ray衍射技术测定了渗硼前后炭纤维晶格参数和取向指数的变化,研究了渗硼对炭纤维力学性能和微观结构的影响,结果表明,渗硼显著地提高了炭纤维的模量,而强度并没有降低,同时增加了晶格尺寸,改善了纤维的结构取向。     

PAN基碳纤维植入物的表面研究

运用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）、拉曼光谱（ＲＳ）和Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）等手段，研究了３种不同碳含量的ＰＡＮ－基碳纤维植入犬体前后的表面结构及电子态的变化，实验结果表明，碳化温度越高，碳纤维的石墨化程度越高，ＰＡＮ－基碳纤维植入犬体一年半后，其表面石墨化程度均降低，表面原含有的多种有机基团基本未变，相对含量发生了明显变化，Ｃ＝Ｎ基团部分转变为Ｃ－Ｎ基团，这说明机体组织并非简单的物理附着在碳纤维表面，     

基体改性碳/碳复合材料抗氧化影响规律探析

碳/碳复合材料(以下简称C/C)在空气中400℃以上显着氧化,目前所采用的防氧化涂层不能很好地解决涂层与基体间热膨胀所带来的裂纹问题,我们认为,同时着重于C/C本身改性及其涂层的抗氧化性提高,是大大改善其抗氧化性能的有效途径.本论文就是基于这一出发,点,在C/C基体中加ZrO₂、SiO₂、SiC等玻璃陶瓷粉,并且将数学工具引入实验,得到了基体添加剂对C/C抗氧化性的影响规律,实验结果表明,SiO₂、B₄C等玻璃陶瓷粉显着改善C/C的抗氧化性能,大大降低氧化烧蚀率.     

NH4HCO3溶液中PAN-基碳纤维电化学改性机理

采用循环伏安扫描法和XPS、AFM技术对在NH₄HCO₃溶液中经过电化学改性处理的PAN-基碳纤维的电化学特性、表面化学构成和表面形貌变化进行了分析。结果表明,在NH₄HCO₃溶液中纤维表面主要发生了水的电解析氧反应和部分电活性物质的电化学氧化反应;纤维表面各含氧官能团含量随处理时间的延长不断变化,NH＋₄与纤维表面官能团反应使纤维表面引入大量的酰胺基团;纤维表面形貌在点蚀和气动剥蚀效应的联合作用下不断粗化。      

PET缝编碳纤维织物冷等离子体处理对RTM成型浸润性的影响

RTM工艺成型过程中树脂对纤维增强体的浸润是重要的一环,浸润不好将导致RTM成型复合材料中产生缺陷,这将降低复合材料的界面性能。本文作者采用冷等离子体技术对PET缝编碳纤维织物进行表面处理,并采用AFM对处理前后的碳纤维表面形貌进行了分析。实验结果表明:冷等离子体处理可以使碳纤维表面活性提高,从而改善RTM工艺成型过程树脂对PET缝编碳纤维织物的浸润性,进而改善RTM成型复合材料的界面性能。     

炭纤维硼改性对其力学性能的影响

采用溶液浸渍对炭纤维（ＣＦ）进行了硼改性处理,并在２５００℃下进行石墨化热处理。研究了硼化物溶液浓度及活化剂对炭纤维力学性能的影响,通过扫描电镜观察炭纤维断面的微观结构形态。实验结果表明,ＣＦ硼处理后可以明显提高纤维的模量,适当控制硼化物溶液浓度,可以同时提高强度。     

碳纤维三维立体织物中纤维表面改性的均一化研究

采用阳极氧化法对碳纤维三维织物进行了表面处理。通过复合材料的界面强度、抗冲击性能和抗压性能,研究了阳极氧化处理工艺参数对碳纤维三维织物复合材料性能的影响。实验结果表明该方法不仅能对三维织物表层的碳纤维进行表面改性, 而且能深入织物内部, 实现对碳纤维三维织物的均一化处理, 从而使碳纤维三维织物/酚醛复合材料的界面强度均得到大幅度提高, 复合材的整体性能得到改善。