文档摘要：高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥.阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质在氧化高模碳纤维时效果有限,氧化性更强的酸性电解质体系下的阳极氧化机制缺乏系统研究.采用稀硫酸对模量为371GPa的碳纤维进行电化学阳极氧化处理,系统研究电流密度、电解质浓度等关键要素对高模量碳纤维表面极性结构的影响规律,继而研究表面处理效果对碳纤维/环氧树脂复合材料界面剪切强度的影响规律,建立表面处理要素与复合材料界面性能的关联性.结果表明:处理后的碳纤维在保持原有表面形貌和石墨化结构的基础上,在碳纤维的无定型碳和芳香环状结构区域发生氧化反应,反应后纤维表观石墨化程度降低,表面能增大,表面含氧官能团含量增加.在当硫酸浓度为1.0％(质量分数)、电流密度为0.26mA/cm2时,此时碳纤维的表面能最高,为57.7mN/m,相比于未处理的碳纤维提高了62.08％,与环氧树脂的界面剪切强度达到80.9MPa,相对于未处理对应的21.8MPa提高了2.7倍,处理后碳纤维的单丝拉伸强度不受损.
Abstract：Theinertsurfaceofhigh-moduluscarbonfiberleadstotheweakinterfacebetweenitandtheresinmatrix,whichlimitstheperformanceofhigh-moduluscarbonfibercompositeinmanyapplicationscenarios.Anodicoxidationistheonlysurfacetreatmenttechnologythatcanbecombinedwithcarbonfiberproductionlinesuntilnow,butthecommonlyusedalkalineelectrolytesrepresentedbyammoniumbicarbonateexhibitlimitedeffectontheoxidationofhigh-moduluscarbonfiber.Theacidicelectrolytesystemhasstrongeroxidationability,lackssystematicresearchesonanodizingmechanism.Inthispaper,dilutesulfuricacidwasusedfortheanodicoxidationforcarbonfiberwithamodulusof371GPa.Theeffectsofkeyfactorssuchascurrentdensity,electrolyteconcentrationonthepolarstructureofthesurfaceofhigh-moduluscarbonfiberweresystematicallystudied,andthentheeffectsofsurfacetreatmentontheinterfacialshearstrengthofcarbonfiber/epoxyresincompositeswereinvestigated.Thecorrelationbetweensurfacetreatmentfactorsandinterfacialpropertiesofcompositeswasestablished.Theresultsshowthatafterthetreatment,thesurfacemorphologyandgraphitizedstructureofthecarbonfiberaremaintained,andoxidationreactionsoccurintheamorphouscarbonandaromaticringstructureregionsofthecarbonfiber.Afterthereaction,thegraphitizationdegreeofthefiberdecreasesapparently,thesurfaceenergyincreases,andthecontentofsurfaceoxygen-containingfunctionalgroupsincreases.Whensulfuricacidconcentrationis1.0％(massfraction)andcurrentdensityis0.26mA/cm2,thesurfaceenergyofcarbonfiberisthehighest(57.7mN/m),whichis62.08％higherthanthatofuntreatedcarbonfiber.Theinterfacialshearstrengthbetweencarbonfiberandepoxyresinreaches80.9MPa,whichis2.7timeshigherthanthatofuntreatedonecorrespondingto21.8MPa.Furthermore,thesinglefibertensilestrengthofthetreatedcarbonfiberexhibitsundamaged.
作者：肖婧 田思源 周航 王宇 徐樑华Author：XIAOJing TIANSiyuan ZHOUHang WANGYu XULianghua
作者单位：北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京100029
刊名：材料工程 ISTICEIPKU
Journal：JournalofMaterialsEngineering
年，卷(期)：2024, 52(6)
分类号：TQ342TB32
关键词：高模量碳纤维 阳极氧化 硫酸 界面性能 拉伸强度
Keywords：high-moduluscarbonfiber anodicoxidation sulfuricacid interfacialperformance tensilestrength
机标分类号：TG174.4TB332TF843.1
在线出版日期：2024年7月15日
基金项目：硫酸体系下高模碳纤维在不同电场环境中的阳极氧化行为[
期刊论文] 材料工程--2024, 52(6)肖婧 田思源 周航 王宇 徐樑华高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥.阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质...参考文献和引证文献
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