復合材料表面處理

方法綜述

專業：材料科學與工程

學號：2012000186

姓名：楊彪

復合材料表面處理方法綜述

摘要：界面是復合材料極為重要的微觀結構,它作為增強體與基體

連接的“橋梁”，對復合材料的物理機械性能有至關重要的影響。復

合材料的界面層及其優化設計，即復合材料界面工程，是復合材料研

究的一個重要領域。界面問題，在復合材料制備中起很大的作用，界

面結合的好壞，直接影響復合材料的整體性能。現針對國內外增強樹

脂用玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維的表面處理方法，以強調界面問

題的重要性。

關鍵詞：界面，玻璃纖維，碳纖維，芳綸纖維

Abstract:

Tposit.materia.i.extremel.i

mportant.a..,,bridge.t.enhanc.an.matri.connected.hav..crucia.impac.o

.posites.Ter

erfac.engineering.i.a.imp

posite.Iblem.pla..significan.rol.

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..posit.material.No.fo.do

mesti.an.reinforce.resi.wit.glas.fibers.carbo.fiber.an.arami.fiber.o.th.s

e

rface.

Keywords：interface,glassfiber,carbonfiber,aramidfiber

復合材料表面處理方法綜述

1前言

界面是復合材料極為重要的微觀結構，它作為增強體與基體連接的“橋梁”,

對復合材料的物理機械性能有重要的影響［1］。隨著對復合材料界面結構及優化

設計研究的不斷深入，研究材料的界面力學行為與破壞機理是當代材料科學、力

學、物理學的前沿課題之一。

復合材料一般是由增強相、基體相和它們的中間相（界面相）組成，各自都有其獨

特的結構、性能與作用，增強相主要起承載作用；基體相主要起連接增強相和傳

我作用，界面是增強相和基體相連接的橋梁，同時是應力的傳遞。對增強相和基

體相的研究已取得了許多成果，而對作為復合材料三大微觀結構之一的界面問

題的研究卻不夠深入，其原因是測試界面的精細方法運用起來較困難，其理論尚

不完整，尤其從力學的角度研究界面的性質、作用及其對復合材料力學性能的影

響和破壞機理等方面的工作正在開展。界面的性質直接影響著復合材料的各項力

學性能，尤其是層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能，因此隨著復合材料科學和應用

的發展，復合材料界面及其力學行為越來越受到直視［2］。

熱塑性復合材料不僅有優越的力學性能、耐腐蝕、無毒性和低價格指數，還由于

具有熱固性復合材料所不具備的可重復加工和使用的特點，避免產生三廢，有利

于環保，因而倍受人們的重視，發展很迅速。對于增強熱塑性復合材料來說，由

于基體本身缺乏可反應的活性官能團，很難與纖維產生良好化學鍵結合，因而界

面結合的問題就顯得更為甫要［3］。

2玻璃纖維的表面處理方法

玻璃纖維是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工

藝制造成的，其單絲的直徑為幾個微米到二十幾米個微米，相當于一根頭發絲的

1/20-1/5,每束纖維原絲都由數百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維［4］通常用作

復合材料中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經濟各個

領域。

玻璃纖維在復合材料中主要起承載作用。為了充分發揮玻璃纖維的承載作用，減

少玻璃纖維和樹脂基體差異對復合材料界面的影響，提高與樹脂基體的粘合能

力，因此有必要對玻璃纖維的表面進行處理［1］,使之能夠很好地與樹脂粘合，形

成性能優異的界面層，從而提高復合材料的綜合性能。

Zisman⑸于1963年發表關于粘結的表面化學與表面能，他認為要獲得完全的表

面潤濕，粘結劑起初必須是低粘度且具表面張力須低于無機物的臨界表面張力,

其結果引發了對采用偶聯劑處理玻璃纖維表面的研究。偶聯劑主要用于增強玻璃

纖維表面處理，其種類很多，包括硅烷偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑等,

通過偶聯劑能使兩種不同性質的材料很好地“偶聯”起來，從而使復合材料獲得

較好的粘結強度。

2.1硅烷偶聯劑處理

在用偶聯劑對玻璃纖維表面處理中研究較多的是硅烷偶聯劑［6］。硅烷偶聯劑的

水解產物通過氫鍵與玻纖表面作用，在玻纖表面形成具有一定結構的膜。偶軼劑

膜含有物理吸附、化學吸附和化學鍵作用的3個級分，部分偶聯劑會形成硅烷聚

合物。在加熱的情況下、吸附于玻纖表面的偶聯劑將與玻纖表面的羥基發生縮合,

在兩者之間形成牢固的化學鍵結合。

氨基硅烷偶聯劑是偶聯劑的一種，研究結果表明：含有氨基的偶聯劑比不含氨基

的偶聯劑對玻璃纖維的表面處理效果好，因為偶聯劑的氨基與基體中的氨基有

親和性，使界面較好粘結；氨基還能與接枝的酸酊官能團反應，提高復合材料的

性能。Pluedde-mann［7］采用含竣基的化合物改性聚丙烯。并用含氨基的硅烷偶聯

劑來處理玻璃纖維，使玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的力學性能得到極大提高。

Crespy［8］采用含有雙鍵的乙烯基一乙氧基硅氧烷和正丙稀一三甲氧基硅氧烷以

及相容助劑混合物處理玻璃纖維的表面，使玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的沖

擊強度、拉伸強度和彎曲強度得到大幅度的提高。

2.2鋁酸酯偶聯劑處理

鋁酸酯偶聯劑具有處理方法多樣化、偶聯反應快、使用范圍廣、處理效果好、分

解溫度高、價格性能比好等優點而被廣泛地應用。陳育如［9］用鋁錯偶聯劑對玻

璃鋼中玻璃纖維的表面處理比用沃蘭(甲基丙稀酰氯化銘絡合物)、硅烷偶聯劑處

理的效果要好，其彎曲強度、拉伸強度、彎曲模量都高于后者處理的結果。

2.3偶聯劑和其它助劑協同處理

由于偶聯劑的獨特性質，利用偶聯劑和其它物質的協同效應對玻璃纖維的表面

進行處理，如運用氯化物和硅烷偶聯劑混合處理玻璃纖維的表面，可顯著改善

PP/GF復合材料強度，特別是采用具有熱穩定性的氯化二甲苯，其性能最優異

［10］o

3碳纖維的表面處理方法

碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新

一代增強纖維。碳纖維作為一種高強度高模量的材料，可以與多種基體材料復合

制成復合材料［11］。與傳統的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱

芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、?減中

不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)由于具有密度小、比強度高、比模量高、熱

膨脹系數小等一系列優異特性，在航天器結構上已得到廣泛的應用。碳纖維表面

惰性大、表面能低，缺乏有化學活性的官能團反應活性低，與基體的粘結性差,

界面中存在較多的缺陷，直接影響了復合材料的力學性能，限制了碳纖維高性能

的發揮。為了改善界面性能，充分利用界面效應的有利因素，可以通過對碳纖維

進行表面改性的辦法來提高其對基體的浸潤性和粘結性。國內外對碳纖維表面改

性的研究［12-13］進行得十分活躍，主要有氧化處理、涂覆處理.、等離子體處理法

等，經表面改性后的砂纖維，其復合材料層間剪切強度有顯著提高。

3.1氣相氧化法

氣相氧化［14］是用氧化性氣體來氧化纖維表面而引入極性基團(如一OH等)，并

給予適宜的粗糙度來提高復合材料層間剪切強度。如把碳纖維在450℃下空氣中

氧化lOmin,可提高復合材料的剪切強度和拉伸強度；采用濃度為0.5—15mg/l

的臭氧連續導入碳纖維表面處理爐對碳纖維進行表面處理，處理后碳纖維復合

材料的層間剪切強度為78.4~105.8MPa；除這種對纖維直接進行表面氣相氧化

外，還可以對經涂覆處理的纖維進行氧化改性。氣相氧化雖易于實現工業化，但

它對纖維拉伸強度的損傷比液相氧化大。此外隨纖維種類的不同（高模量碳纖維、

高強度碳纖維）、處理溫度的不同，氣相氧化處理效果也不盡相同。纖維產生過度

的刻蝕和裂解.，而且在一定條件下含氧基團數量較氣相氧化多，因此是實踐中常

用的處理方法之一。

3.2液相氧化法

液相氧化處理對改善碳纖維/樹脂復合材料［15］的層間剪切強度很有效。硝酸、

酸性重銘酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用于對碳纖維進行表面

處理［16］。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使

其表面產生物基、羥基和酸性基團，這些基團的量隨氧化時間的延長和溫度的升

高而增多，氧化后的碳纖維表面所含的各種含氧極性基團和溝壑明顯增多，有利

于提高纖維與基體材料之間的結合力。

由于液相氧化的方法較氣相氧化法溫和，不易使纖維產生過度的刻蝕和裂解，而

且在一定條件下含氧基團數量較氣相氧化多，因此是實踐中常用的處理方法之

O

3.3電化學氧化法

電化學氧化法”7］處理利用了碳纖維的導電性，一般是將碳纖維作為陽極置于

電解質溶液中，通過電解所產生的活性氧來氧化碳纖維表面而引入極性基團，從

而提高復合材料性能。與其它氧化處理相同，電化學氧化使纖維表面引入各種功

能基團從而改善纖維的浸潤、粘敷特性及與基體的鍵合狀況，增強碳纖維復合材

料的力學性能。國內房寬峻等通過正交試驗的方法對碳纖維在酸、堿、鹽三類電

解質中的電化學氧化送行研究，認為在氧化過程中，電解質種類是影響處理后碳

纖維表面酸性官能團的最主要因素，其次是處理時間和電流密度，電解質濃度的

影響不顯著。

4芳綸纖維的表面處理方法

芳綸纖維是一種高性能合成纖維，具有超高強度、高模量和耐高溫耐酸耐

堿、重量輕等優良性能，其強度是鋼絲的5-6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2-3

倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的20%左右。此外，芳綸纖維還具有良

好的絕緣性和抗老化性能，其應用領域十分廣泛。對位芳綸纖維主要用于橡狡增

強制品、防彈，具有很長的生命周期[18]o芳綸的發現，被認為是材料界一個非

常重要的歷史進程。

芳綸纖維以其高比模量、高比強度、耐疲勞等優異性能在航空航天領域得到了廣

泛的應用。但是從其結構可知，它是剛性分子，分子對稱性高，橫向分子間

作用力弱，且分子間氫鍵弱，在壓縮及剪切力作用下容易產生斷裂。因此，為了

充分發揮芳綸優異的力學性能.對芳綸表面進行改性處理，改善芳綸增強復合材

料的界面結合狀況成為材料科學界研究的一個熱點。目前，針對芳綸進行的表面

改性技術，主要集中在利用化學反應改善纖維表面組成及結構，或借助物理作用

提高芳綸與基體樹脂之間的浸潤性。

4.1表面涂層法

表面涂層法是在纖維表面涂上柔性樹脂，而后與基體復合。涂層可以鈍化裂紋的

擴展，增大纖維的拔出長度，從而增加材料的破壞能。這類處理劑主要是改善材

料的韌性，同時又使材料的耐濕熱老化性能提高。目前用于芳綸的涂層主要是飽

和、不飽和脂肪族酯類，包括SVF-2()0硅烷涂層、Estapol-7008聚氨酯涂層[19]

等。

4.2表面刻蝕技術

表面刻蝕技術是通過化學試劑處理芳綸，引起纖維表面的酰氨鍵水解，從而破壞

纖維表面的結晶狀態，使纖維表面粗化。一般表面刻蝕技術采用的化學試劑為酰

氨。Tarantili.Andreopoulos等人采用甲基丙烯酸酰氨的CC14溶液對芳綸進行

了處理，并研究了表面刻蝕芳綸后，芳綸/環養復合材料的力學性能。經過丙烯酰

氯處理后的纖維，一方面，表面粗糙度增加，增大了纖維與基體的嚙合，同時消

除了弱界面層，增加了纖維/基體間的接觸面積；另一方面提高了纖維的表面能,

使樹脂更有效地潤濕纖維，因而使改性后的芳綸/環氧復合材料韌性提高8%o

4.3等離子體表面接枝

表面接枝技術分為兩大類：一是發生在苯環上的接枝反應；另一種則是取代芳綸

表面層分子中酰氨鍵上的氫的接枝反應。目前對芳綸的表面改性研究較多的是等

離子體處理技術。低溫等離子體接枝聚合反應一般分為兩個階段[20]:首先是芳

綸表面經等離子體處理產生的活性自由基和官能團形成活性中心，然后與氣體

接觸，引發單體進行接枝聚合反應。這種處理方法能有效改善纖維的表面性能，提

高纖維表面粗糙度，并最終提高纖維復合材料的性能[21]。

結束語

影響纖維/樹脂基復合材料性能的因素很多，如纖維與樹脂基體的匹配性、成型工

藝中的質量控制參數優化等，以上介紹了玻纖、碳纖維及芳綸纖維表面處理方法,

主要是針對如何提高纖維與樹脂基體的粘接性能，還有具它一些處埋方法，實際

應用中，應根據纖維類型、基體材料的種類及實阮需要和條件來選擇表面處理方

法。總之，作為先進復合材料的增強材料，對纖維的表面結構與性質、表面改性

的研究將會受到越來越多的關注，碳纖維、芳綸纖維也將在航天領域中發揮越來

越重要的作用。

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