李灵聪，于运花

（1．韶关学院化学与环境工程学院，广东韶关512005；2.北京化工大学材料科学与工程学院，北京100029）

碳纤维表面对复合材料界面和湿热性能的影响

李灵聪1，于运花2*

（1．韶关学院化学与环境工程学院，广东韶关512005；2.北京化工大学材料科学与工程学院，北京100029）

为研究碳纤维表面物理和化学性能对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响.选用了4种碳纤维，采用扫描电镜对纤维表面形貌进行观察，光电子能谱仪被用于分析表面元素和官能团的类型和数量，动态接触角测试用于表征碳纤维表面活化能.湿热处理前后的层间剪切强度被用于比较复合材料的界面性能.结果显示：碳纤维表面粗糙度、O/C比和活性碳原子比例以及表面能的提高，有助于提高碳纤维/环氧复合材料的界面性能和耐湿热性能.

碳纤维；表面；复合材料；界面性能

碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能．如高的比强度和刚度、低密度及设计的灵活性，主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术，随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高．目前在土木建筑、石油工业、汽车工业、体育器材等领域得到广泛应用［1-3］.复合材料的界面在复合材料中扮演着十分重要的角色.界面作为增强体与基体连接的“桥梁”，是复合材料极为重要的微观结构，对复合材料的物理机械性能有着至关重要的影响.复合材料的界面能否有效的传递负载，依赖于增强体和基体之间界面化学结合和物理结合的程度，强界面有利于应力的有效传递.复合材料的结构缺陷，例如小孔、杂质和微裂缝，常常倾向于集中在界面区域，这会引起增强复合材料性能的恶化.在材料使用过程中，由于湿气和其他腐蚀性气体的侵蚀，常常使界面相首先受到不可逆转的破坏，从而成为器件损毁的引发点［4］.

碳纤维的表面状态可分为表面物理状态和表面化学状态.表面物理状态指的是碳纤维的表面形貌，包括沟槽，孔隙，凸起；表面化学状态包括表面活性碳原子的比例，碳纤维表面官能团的种类和数量等.碳纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥［5-10］.

本文主要着力于分析比较T700级和T800级碳纤维表面性能对复合材料界面性能和湿热性能的影响.采用扫描电镜（SEM）对碳纤维表面形貌进行观察，采用X射线光电子能谱仪（XPS）对纤维表面元素和官能团进行表征，同时采用动态接触角法测试碳纤维表面自由能.以环氧树脂为基体制备复合材料，湿热处理前后复合材料的层间剪切强度用于比较碳纤维与树脂基体的界面结合强弱.

1 实验材料及方法

1.1 原材料及来源

增强纤维：进口T700SC碳纤维，进口T800HB碳纤维，日本东丽公司；国产T700碳纤维，国产T800碳纤维，山西煤化所.树脂：E-51环氧树脂，巴陵石化.固化剂：6-甲基-四氢苯酐，上海阿拉丁；促进剂：2-乙基-4-甲基咪唑，上海阿拉丁.

1.2 试样

所用复合材料试样均为单向纤维增强复合材料，纤维体积分数为60%，试样尺寸为20×6×2 mm.

1.3 实验方法

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对碳纤维表面形貌，XSAM800型X射线光电子能谱仪被用于表征碳纤维表面元素及官能团的种类和含量，OCA 20型动态接触角测试仪被用于表征碳纤维表面自由能.复合材料试样置于71℃去离子水中恒温放置7天后取出.处理前后的复合材料层间剪切强度均采用Instron1811型万能材料实验机测试.

2 结果与讨论

2.1 碳纤维表面形貌

碳纤维表面形貌如图1所示，从图1中可以看出，国产T700碳纤维表面沟槽既多且深，粗糙度高于进口T700碳纤维.而进口T800碳纤维表面比国产T800碳纤维较为粗糙.碳纤维表面的沟槽能在复合材料成型时提供更多的机械铰合点，有利于提高界面结合强度.

图1 碳纤维表面形貌

2.2 碳纤维表面化学活性

纤维表面元素中O/C比例在一定程度上反映了碳纤维与树脂基体反应活性的高低，O/C越高，界面中化学结合机会越多，可以形成更好的界面结合.从表1中可以明显看出，在T700级碳纤维中，进口T700碳纤维表面O元素含量几乎一致，但国产T700碳纤维表面C元素含量较低，从而导致国产T700碳纤维表面O/C比例高于进口.进口T800碳纤维表面C元素含量较国产低，而O元素含量较高，使其表面O/C比高于国产T800碳纤维较多.由此判断，国产T700碳纤维表面活性高于进口T700，而国产T800碳纤维表面活性低于进口T800.

表1 进口T700和国产T700，进口T800和国产T800碳纤维表面元素%

进口T700和国产T700，进口T800和国产T800碳纤维C1s谱分峰比例见表2.从表2中也可以看出，国产T700碳纤维表面活性C原子比例高于进口T700，而国产T800碳纤维表面活性C原子比例低于进口T800，与O/C比规律一致.表面化学活性越高，越有利于碳纤维与树脂基体发生化学反应，增强界面化学结合.

表2 进口T700和国产T700，进口T800和国产T800碳纤维C1s谱分峰比例%

2.3 碳纤维表面自由能

固体的表面能越大，其对液体的浸润性越好.进口T700和国产T700，进口T800和国产T800碳纤维接触角和表面能，见表3.从表3中可以看出，表面能结果与O/C比，活性碳原子比例结果一致，仍旧是国产T700高于进口T700，而国产T800低于进口T800.由此推测在以同种树脂为基体制备复合材料时，国产T700和进口T800在浸润性上具有相对优势.

表3 进口T700和国产T700，进口T800和国产T800碳纤维接触角和表面能

2.4 碳纤维/E51复合材料界面性能

层间剪切强度在一定程度上反映了碳纤维与树脂基体间的界面结合强弱.复合材料湿热处理前后层间剪切强度如图2所示.从图2中可以看出，湿热处理前后，国产T700/E51复合材料层间剪切强度ILSS及强度保留率均高于进口T700/E51，进口T800/E51复合材料ILSS及保留率均高于国产T800/E51.此结果证明国产T700相对于进口T700，进口T800相对于国产T800，与环氧树脂基体形成了更好的界面结合，最终使得复合材料界面性能和耐湿热性能更好.

图2 复合材料湿热处理前后层间剪切强度

3 结论

国产T700，进口T800以其分别相对于进口T700，国产T800来说更高的表面粗糙度，更高的表面化学活性以及更高的表面自由能，使得国产T700，进口T800复合材料具有更好的界面结合，并最终导致复合材料具有更高的力学强度和耐湿热性能.由此推断，碳纤维表面粗糙度提升，表面化学活性增大以及表面能的提高有利于提高复合材料的界面结合强度，从而提高复合材料整体机械性能.

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The Impact of Surface Characteristics of Carbon Fibers to CF/epoxy Composites Interfacial Properties

LI Ling-cong1，YU Yun-hua2
（1.Chemistry and Environment Engineering,Shaoguan University,Shaoguan，512005 Guangdong，China；2.College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology,School or Department，University，Beijing 100029，China）

This paper focus on the influence of carbon fibers'surface properties to CF reinforce epoxy composites properties.Four types of carbon fibers were used in this work.It used scanning electron microscopy to observe the surface morphology,XPS was used to analyze the type and proportion of the elements and functional groups on the fibers'surface,and the dynamic contact angle measurement was used to characterize the surface activation energy. The inter laminar before and after hygrothermal treatments was chosen to compare the interfacial properties of CF/epoxy composites.The results show that the increasing of the surface roughness,the ratio of O/C and the proportion of active carbon atoms,the surface energy of carbon fibers improve the interfacial properties and hygrothermal resistances of CF/epoxy composites.

carbon fiber;surface characteristics;composites;interfacial properties

TB33

A

1007-5348（2016）12-0025-04

（责任编辑：邵晓军）

2016-09-22

李灵聪（1989-），男，湖南郴州人，韶关学院化学与环境工程学院教师，硕士；研究方向：功能高分子及复合材料.