[发明专利]一种光滑表面的高界面性能碳纤维及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种光滑表面的高界面性能碳纤维及其应用技术领域，尤其是涉及一种高界面性能的干喷湿纺碳纤维。

背景技术

碳纤维具有碳素材料的耐摩擦、耐高温、耐腐蚀、导热、导电等特征，其外形还具有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，同时具有高界面性能的干喷湿纺碳纤维更是应用在许多和国家综合实力息息相关的重要领域。因此，开发新的表面处理技术来制备具有高界面性能的干喷湿纺碳纤维已成为新型复合材料发展的必然趋势。

碳纤维的性能直接决定着其应用。在碳纤维的制造工艺中，表面处理工艺是极其重要的一个生产工艺。从物理方面讲，它能很好的改善碳纤维自身的粗糙程度，增加碳纤维与树脂的机械拗合能力，从而提高其界面性能；从化学方面讲可以使碳纤维表面的新生态氧和含氧官能团数量增加，增加碳纤维表面极性，从而使碳纤维与树脂间的粘结强度明显增加。因此，复合材料的性能很大程度上取决于纤维自身的界面性能，而恰当的表面处理技术是制备高界面性能干喷湿纺碳纤维的关键。

日本东丽T700G碳纤维，加强了拉伸模量和复合材料界面性能，主要应用在航天、高性能体育用品等对复合材料的性能有较高要求的领域。与其相比，国内碳纤维长期以来还无法突破表面处理这一技术壁垒，生产出具有T700G高界面性能的碳纤维，这严重影响着我国在航天等领域的发展以及在国际上的综合地位。因此，近年来，人们对干喷湿纺碳纤维在表面处理过程的研究越来越多。然而，当不恰当的电解质、电解液浓度和电量作用在碳纤维上时，会使其原本增加的表面粗糙度由于过度氧化而被抹平，纤维与树脂的机械拗合作用降低，碳纤维本身力学性能会有所下降，从而使降低复合材料的层间剪切强度，这是我们要尽量避免的现象。

值得一提的是，经过不断地探索和努力，我们最终摸索出生产具有高界面性能碳纤维的表面处理工艺。通过该工艺制得的一种光滑表面的高界面性能碳纤维，其复合材料的层间剪切强度明显增强，可达到110MPa以上；其复合材料的界面性能明显提高；其拉伸强度较普通碳纤维无降低甚至有所提高，可达到4900 GPa以上。

发明内容

为克服上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光滑表面的高界面性能碳纤维，碳纤维光滑表面，无明显沟槽，其沟槽深度小于直径的3%，具有高界面性能；在复合材料断面中，碳纤维与基体界面结合优良，单向板层间剪切强度大于大于110MPa。

一种光滑表面的高界面性能碳纤维的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）使碳化处理后的碳纤维完全浸没在强碱性电解质中；

（2）在电流下，碳纤维通过表面处理池被刻蚀；

（3）经过水洗、上胶、烘干、卷绕，制得具有光滑表面的高界面性能碳纤维。

所述步骤（1）碱性电解质可以是NaOH、KOH、NH₃·H₂O、NH₄HCO₃中的一种或多种混合。

所述步骤（1）碱性电解质的浓度在1%-10%之间。

所述步骤（2）中表面处理级数是一级或多级表面处理。

所述步骤（2）中表面处理过程中，碳纤维处理的总电量在1-20C/g之内。

所述步骤（3）中高界面性能碳纤维的沟槽深度小于直径的3%，具有高界面性能。

本发明的原理如下：

阳极氧化是由电能转化为化学能的过程，也是阳极氧化、阴极还原的过程。根据电解质水溶液性质不同，可能有以下三类反应：

① 在酸性电解液中，因水的分解而在阳极(碳纤维) 表面产生新生态氧；新生态氧的活性高，对阳极(碳纤维)进行氧化。                                                                                                                                                       2H₂O                                                    4H⁺+4e^-+O₂   

② 在弱碱性电解液中，则发生以下反应：

H₂O  HO·+ H⁺ + e^- ；

2H₂O·  H₂O+O·；