第七章-碳纤维.ppt

全碳纤维自行车 * 碳纤维制赛艇及吉他 * 第三节 碳纤维的应用及发展 二、碳纤维的发展及未来 * 1、发展高性能、廉价碳纤维 2、大力研究和发展热导率高的碳纤维及其复合材料 3、研究开发不同热膨胀系数的碳纤维 优点： 工艺简单，参数易于控制，设备造价低，处理时间短，处理效果显著，并已得到实际应用。 缺点： 臭氧对人体有害，对含臭氧废气的处理应采取有效措施。 * 过度氧化 危害： 使碳纤维强度损失严重； 碳纤维增强复合材料（CFRP）弯曲强度下降； 碳纤维和基体过分粘结甚至可使复合材料变脆，并对缺陷的敏感性增大。 措施： 少量金属杂质，如铜(Cu)，铅(Pb)等过渡金属的盐。 在空气氧化时，可适当加入SO2或卤素或卤代烃。 * 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 化学氧化法 （2）液相氧化法 液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 化学氧化法 （2）液相氧化法 原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。 碳纤维的液相氧化剂有：硝酸、硫酸、高锰酸钾、重铬酸钾、次氯酸钠等。 硝酸法是常用的液相氧化法，经处理后的碳纤维其表面积和官能团均增加。 硝酸处理石墨纱时表面官能团的变化 * 碳纤维CF经HNO3表面处理后，有下列变化： ? 比表面积增加 表面被刻蚀，表面粗糙度增加 ? 表面官能团增加 主要是－COOH 液相氧化对碳纤维表面性能的影响 处理条件 酸性基团 （?eq/g） 比表面积 (m2/g) 未处理 3 0.38 硝酸（24h） 21 1.40 * 液相氧化法的缺点： ?由于大量废酸废液产生，所以环境污染较大； ?液相氧化多为间歇操作，所需处理时间较长，与CF生产线相匹配有困难。 所以多用于间歇表面处理和研究表面处理的机理。近年来已逐渐被淘汰。 Note： 液相氧化时，纤维处理后一定要清洗干净，否则将影响CF与基体的粘结强度。 * 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 等离子法 等离子体：随着物质能量的增加，物质的状态将发生由固→液→汽的转变，进一步增加气体能量，则气体原子中的电子可以脱离原子而成为自由电子，原子成为正离子，这种含电子、正离子和中性粒子的混合体，称为等离子体。 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 等离子法 通过等离子体处理，可产生以下效果： 使碳纤维表面的沟槽加深，粗糙度增加 并在纤维的表面产生了一些活性基团 如－COOH，－COO－，－OH，－C＝O等 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 等离子法 等离子法是碳纤维连续通过等离子发射腔进行处理，纤维在减压和存在射频放电的氧气氛中进行等离子氧化，以活化纤维表面。 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 等离子法 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 表面清洁法 杂质来源 碳纤维吸收的水分，纤维空隙中残留的有机热解产物以及从环境中沾染的杂质。 如何处理？ 将CF在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 电化学氧化法 以碳纤维为阳极，镍板、石墨板、铜板、白金板、白钢板等为阴极，在电解质溶液中于一定电流密度下，靠电解作用产生的初生态氧对CF进行氧化刻蚀，并形成含氧官能团。 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 电化学氧化法 阳极电解氧化法的实验装置图 （1）纺丝卷筒；（2）电解槽；（3）石墨电极； （4）导电辊；（5）水洗槽；（6）干燥炉 * 电化学氧化法的影响因素： 电解质种类；电流大小；处理时间 等 经过电化学处理后可达到的效果： ?表面刻蚀形成沟槽，使CF的表面积增加； ?表面官能团数量，可在CF表面引入—OH，—COOH 等 电化学氧化法的优点： ?处理条件缓和、反应易控、操作简便； ?处理时间短，可以直接与CF生产线相连。 * 第二节 碳纤维的表面结构与性能 * 表面涂层法 表面涂层法： 即将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在CF表面。 表面涂层法有以下几种方法： 气相沉积法、表面电聚合、偶联剂涂层、晶须生长法等。 气相沉积法：在碳纤维表面沉积无定型碳、金属涂层等。 表面电聚合：在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应，生成聚合物涂层。