[发明专利]一种碳纤维表面快速复合强化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种碳纤维表面快速复合强化处理方法。

背景技术

碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等优良的机械性能，但是在生产制造或者生产加工过程中，上述机械性能的优劣很大程度上取决于碳纤维表面处理技术。目前，常见的碳纤维表面处理技术包括液相氧化法、气相氧化法、电化学氧化法、等离子体氧化法等，其中，液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法，液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的界面层剪切强度很有效，但是对于液相介质而言，浓度过高则易导致碳纤维在氧化过程中被强酸腐蚀，强度损失较大，导致复合材料性能提高不显著；气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂中，在加温、加催化剂等特殊条件下使得其表面生成一些活性基团，然而，经气相氧化法处理的碳纤维所制成的复合材料，其弯曲强度、弯曲模量、界面剪切强度和层间剪切强度等力学性能均可得到有效提高，但是材料本身的冲击强度降低较大；电化学氧化法是采用碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羧基之后，逐步氧化成酮基和二氧化碳的过程，然而，使用该方法对电解水的纯度要求较高，还要求正离子电极位低于氢正离子电极位，以保证阴极只有放氢反应，同时电极还必须是惰性不参与反应的；等离子体氧化法采用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程，其中非聚合性气体可以是惰性气体，也可以是活性气体，然而采用该方法处理碳纤维表面时，对等离子体发生设备的要求较高，技术尚不成熟。

通过目前上述碳纤维表面处理方法可以看出，通常的单一处理方法由于优缺点共存，常常是在提高某方面性能的同时，而不得不牺牲另一方面性能，对复合材料的综合力学性能改善并不理想。虽然，复合处理方法已经引起人们的高度重视，相关的新技术也越来越多。例如，现有的气液双效法，就是一种复合处理方法，即对碳纤维表面采用液相涂层法，在碳纤维的表面形成一层涂液，其中的溶质含量<1wt％。溶质分子具有一定的活性，沉积在碳纤维表面孔隙处，起到补强的作用。然后，进行气相氧化法，这时，一方面使得涂层溶剂挥发，另一方面是使得留在孔隙中的溶质发生氧化，引进含氧官能团，从而增加碳纤维与基体之间的界面结合度，还提高了碳纤维自身的抗拉强度。但是，这个方法不是一种快速的方法，也不能够在碳纤维增强树脂基复合材料的生产现场进行处理。因此，亟需一种快速、便捷、高效的碳纤维表面处理技术具有重要的研究与应用意义。

发明内容

针对现有技术中碳纤维表面处理方法存在的上述不足，本发明的目的在于：提出一种碳纤维表面快速复合强化处理方法，该处理方法具有快速、高效的特点，并且能够使得碳纤维表面得到强化，同时改善其与树脂基体的粘接性，进而很快地用于制备碳纤维增强复合材料，同时还能够在制备复合材料的现场进行应用，有效提高了生产速度，提高了生产力，确保了复合材料的力学性能能够满足使用要求。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种碳纤维表面快速复合强化处理及制备复合材料的方法，该方法包括以下步骤：

1)检测碳纤维参数：检测待处理的碳纤维的具体参数值，该参数值包括抗拉强度值、弹性模量；其中无明显的表面缺陷，抗拉强度＞70MPa，模量＞200GPa，纤维直径均匀且同一束纤维直径相对误差＜5％；

2)选择微颗粒轰击处理机的类型：根据前一步检测碳纤维的上述参数值选择适合对该碳纤维进行机械轰击处理的微颗粒轰击处理机，其中该微颗粒轰击处理机类型选择的标准为：微颗粒的直径应当与待机械轰击碳纤维直径同一数量级且直径小于待机械轰击碳纤维直径的微颗粒轰击处理机；

3)选择微颗粒的类型：该微颗粒的种类为球形颗粒或者椭球形颗粒；

4)控制微颗粒轰击处理机处理碳纤维的操作参数：在选择好微颗粒轰击处理机与微颗粒类型后，控制该微颗粒轰击处理机的轰击压力为碳纤维的抗拉强度的1/10-1/3，微颗粒的轰击速率根据碳纤维缠绕线速度确定，其中，碳纤维缠绕线速度400-500m/s，则每根碳纤维单位长度平均接受的微颗粒数目为20-100粒/m；

5)选择辐照处理机：根据步骤1)中检测碳纤维的具体参数值选择合适的激光辐照处理机；其中，辐照处理机类型的选择标准为：CO₂激光处理机或光纤激光处理机；