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碳纤维表面处理技术的发展介绍

碳纤维具有石墨的基本结构,但不是理想的石墨点阵结构,而是所谓的乱层石墨结构(见图 1-1)。构成多晶结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为 0.1421 纳米;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360 纳米至 0.3440纳米之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐。与石墨结构相比,碳纤维的C原子层面之间发生了不规则的平移与转动,但其六角网状共价键结合在一起的C原子层基本上平行于纤维轴排列,致使其具有极高的轴向拉伸模量。在乱层石墨结构中,石墨层片是超基本的结构单元,层片与层片之间互相交叉。数张到数十张层片组成石墨微晶,由石墨微晶再组成原纤维,其直径为 50nm 左右,长度为数百纳米,超后由原纤维组成碳纤维的单丝,直径一般为 6~8um。

碳纤维密度小,质量轻,导电性好,呈非磁性,具有屏蔽电磁波的功能,同时对 X 射线的透过性好。近年,由于碳纤维成本下降及复合材料制造技术的提高,使其成为电磁屏蔽复合材料的研究热点。碳纤维本体化学成分有 C、N、O、H 等元素及微量金属杂质,而其表面化学组成为C、O、H,同时表面还存在着一些酮基、羧基和羟基等极性活性反应基团,但这些活性基团数量极少,使得未经表面处理的碳纤维表面光滑反应活性低,比表面积小,一般不超过 1m2•g-1,在水中润湿角大,呈现憎水性,结合性和分散性差。利用碳纤维能被氧化剂和高温下空气中氧氧化的特性,将表面的碳元素氧化成含氧基团,可提高碳纤维的界面粘结性能、润湿性能,也提高碳纤维的化学稳定性。

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