碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮( PEEK) 、聚苯硫醚( PPS) 、熱塑性聚酰亞胺(TPI) 、聚醚砜( PES) 等高性能熱塑性復(fù)合材料具有耐熱性高、耐腐蝕性好、高強(qiáng)度、高韌性、可回收再利用等優(yōu)勢，相比于熱固性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，其在軌道交通、以及高端醫(yī)療等領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中，有很多因素都會影響到熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)，其中碳纖維與熱塑性樹脂之間的界面情況就是重要因素之一。


碳纖維熱塑性復(fù)合材料界面改性的意義：

        復(fù)合材料界面是纖維與樹脂基體之間通過一系列的物理、化學(xué)作用形成的第三相。其中，高性能熱塑性樹脂作為連續(xù)相，碳纖維作為增強(qiáng)相，它們兩者之間通過界面層結(jié)合。界面相作為纖維與樹脂間應(yīng)力傳遞的紐帶，直接影響到內(nèi)部應(yīng)力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制對復(fù)合材料整體性能起著決定性作用。

       另外，碳纖維與樹脂基體自身的物理、化學(xué)性質(zhì)對碳纖維復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)的形成以及界面性能也有重要的影響。碳纖維表面光滑、化學(xué)惰性大、表面能低，難以與樹脂產(chǎn)生有效的界面結(jié)合作用。因此，對碳纖維進(jìn)行表面處理是十分必要的。目前，碳纖維的表面處理方法主要是優(yōu)化和設(shè)計(jì)調(diào)控碳纖維表面活性化學(xué)基團(tuán)、表面形貌，增加碳纖維的化學(xué)活性、表面粗糙度及表面自由能，從而改善碳纖維與樹脂基體間的化學(xué)鍵合作用、機(jī)械嚙合作用以及碳纖維與高性能熱塑性樹脂間的浸潤性，進(jìn)而提高復(fù)合材料的界面黏結(jié)性能。
 


碳纖維熱塑性復(fù)合材料界面改性的常見方法：

      有關(guān)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的界面改性方法有碳纖維表面改性法、增容改性法、界面結(jié)晶調(diào)控法等，這些方法均可有效改善碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的界面性能。

      1.增容劑法：增容劑是指借助分子間化學(xué)或者物理作用，促使兩種原本并不相容的物質(zhì)能夠較好地結(jié)合在一起的助劑。熱塑性樹脂黏度大，與碳纖維的浸潤性差，可以基于“相似相容”原理，采用增容劑對熱塑性樹脂基體進(jìn)行改性，增加碳纖維與樹脂基體之間的相容性。除此之外，增容劑還可以增加碳纖維與樹脂間的界面化學(xué)鍵合作用，使之形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度。


       2.結(jié)晶行為調(diào)控法：熱塑性聚合物的結(jié)晶行為對復(fù)合材料界面性能也有顯著的影響，例如，復(fù)合材料界面區(qū)域的橫晶尺寸、核密度、結(jié)晶度都會影響到復(fù)合材料的界面性能。在復(fù)合材料界面區(qū)域，結(jié)晶性樹脂基體往往會形成橫晶層。通過對復(fù)合材料成型過程中的冷卻、退火等工藝進(jìn)行調(diào)整，就能有效控制纖維表面附近樹脂基體的結(jié)晶行為，進(jìn)而提高復(fù)合材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度。此法的原理是增強(qiáng)纖維表面對樹脂基體產(chǎn)生的結(jié)晶效應(yīng)，在纖維的表面附近形成橫晶，而橫晶可以加強(qiáng)樹脂基體與增強(qiáng)纖維之間的界面黏結(jié)。

       3.碳纖維表面改性法：碳纖維表面改性能夠在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)和納米增強(qiáng)顆粒，通過提高碳纖維的表面化學(xué)活性、表面可浸潤性、表面粗糙度，改善樹脂基體與碳纖維的結(jié)合力，最終提高復(fù)合材料的界面性能。常見的表面改性方法有上漿劑法、納米微粒改性法、表面氧化法、等離子體處理法等。


       目前，對熱塑性碳纖維復(fù)材的界面研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚不能滿足國內(nèi)大市場對熱塑性碳纖維復(fù)材的實(shí)際應(yīng)用需求。不過，界面改性問題和其它的工藝技術(shù)問題一樣，也都在熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制造及應(yīng)用中得到逐步改善或解決。例如，我們無錫智上新材料科技有限公司在借鑒國外先進(jìn)同行的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，聯(lián)合復(fù)合材料機(jī)械制備商共同研發(fā)了集碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶、熱壓成型及涂裝為一體的設(shè)備體系，通過工藝改良，顯著提高了碳纖維在熱塑性樹脂基體中的浸潤程度，為有效解決碳纖維熱塑性復(fù)合材料界面問題提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

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