中国粉体网讯 碳纤维是由有机纤维经过一系列的热处理过程转化而来的，其碳含量超过90％，是一种无机高性能纤维，同时也是一种力学性能出色的新型材料。碳纤维不仅继承了碳材料的固有属性，还结合了纺织纤维的柔韧性和可加工性，被视为新一代的增强纤维，并在多个高科技领域得到应用。
碳纤维编织布 图源：东莞江科复合材料有限公司
碳纤维表面处理原理
作为一种增强体，尽管它具备了一系列出色的性能特点，但同时也伴随着一些必须面对的挑战。因类石墨结构其表面存在一定化学惰性，很难浸润树脂及化学反应，表面难与树脂结合，进而影响复合材料强度。故需要对碳纤维表面进行处理，清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，来改变碳纤维表面性质，以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化，进而更容易浸润和发生化学反应，使复合材料界面更紧密连接而增加强度。
不同的表面处理后碳纤维的SEM图像
a) 未处理 b) 空气处理 C)浓HNO3处理 d)上浆处理 e)等离子处理
碳纤维表面处理方法
碳纤维表面处理的方法有很多，主要包括气相氧化法、液相氧化法、电化学氧化法、偶联剂涂层处理法、等离子体处理法、枝接改性技术等。其中，气相氧化法是目前比较常用的方法，电化学氧化法是目前唯一能够在碳纤维制备时可在线连续运行的技术，且经电化学氧化处理过的碳纤维增强树脂基复合材料的整体性能均得到提高。
（1）气相氧化法
气相氧化法包括空气氧化、臭氧氧化等。
空气氧化法是将碳纤维置于一定相对湿度的空中气进行高温处理，通过高温使碳纤维表面发生氧化的一种方法。氧化后碳纤维表面非碳元素增加，有利于提升纤维的润湿性和树脂结合性。
（2）液相氧化法
液相氧化法是以浓硝酸、浓硫酸、过氧化氢等氧化剂与碳纤维长时间接触，在纤维表面形成羧基、羟基等基团，增强与树脂的结合力。
（3）电化学氧化法
电化学氧化是利用碳纤维的导电性能，以碳纤维为阳极，石墨、铜板或镍板等为阴极，在直流电场的作用下，以不同的酸碱盐的溶液作为电解液，对碳纤维进行表面处理的方法。表面电化学氧化处理的作用为逐层氧化刻蚀与官能团变化的复合作用过程。
（4）偶联剂涂层处理法
偶联剂在化学结构上具有双官能团， 这使得它具有了与纤维表面和树脂发生化学反应的能力。其中一部分官能团能与纤维表面形成化学键，而另一部分官能团则能与树脂发生化学反应。 通过这样的化学媒介作用，偶联剂能够将树脂与纤维表面紧密地连接在一起，从而增强材料的整体性能。 通过使用偶联剂，不仅可以提高材料的强度和耐久性，还可以增加其粘接性和耐化学品侵蚀能力。
（5）等离子体处理法
等离子技术主要利用放电、高频电磁振动、冲击波以及高能辐射等技术在惰性气体或者含氧气体条件下产生等离子体来对材料表面进行处理。
（6）枝接改性技术
通过对碳化硅六方纳米金字塔的接枝，可显著增强碳纤维与树脂间的界面黏附力，不仅增强了碳纤维复合材料的机械特性，还提高了其摩擦性能，这一技术已被应用于制动盘的制造中。
结语
碳纤维因其高达90％的碳含量而展现出卓越的物理和化学性质，如高模量、高强度、低密度、轻质、抗化学腐蚀和耐高温等，被誉为“新材料之王”，广泛应用于材料轻量化、航空航天材料、传感技术、风电叶片、导电导热、基础设施建设以及其他耐腐蚀和耐高温的防护和能源领域。碳纤维表面处理是提升碳纤维复合材料性能的关键环节。通过选择合适的表面处理方法，可以改善碳纤维的表面性能，增强其与基体材料的结合力，从而提升复合材料的整体性能。如今，国内外碳纤维的迅猛发展，使得碳纤维逐渐融入我国各行各业。关于碳纤维的表面改性研究正在世界各国如火如荼的进行着，其内容丰富，理论联系实际，已经取得了很大的成就。
采用碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料对碳纤维进行表面处理已成为新的研究热点，碳纤维表面处理的低成本化、绿色化和连续生产化将是今后的重点研究方向。
参考来源：
李磊等，聚丙烯腈基高强高模碳纤维表面处理研究进展
周雪松等，碳纤维表面处理技术研究进展
徐慧敏等，碳纤维表面处理技术的研究进展
张雪等，碳纤维表面改性对复合材料性能的影响
刘浏，碳纤维表面处理及其复合材料性能研究
（中国粉体网编辑整理/留白）
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