(PA)作為一類典型的熱塑性樹(shù)脂與碳纖維(CF)形成的復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能。CF增強(qiáng)PA (CFRPA)復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料相比具有可回收性、易于加工、成型時(shí)間短、抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)。CFRPA復(fù)合材料的力學(xué)性能首先取決于CF和PA樹(shù)脂基體自身性質(zhì)。同時(shí)，纖維與基體之間的界面粘結(jié)性很大程度上決定了復(fù)合材料的最終力學(xué)性能。

然而，未經(jīng)任何處理CF表面是非極性的，表面活性官能團(tuán)極少、化學(xué)惰性較強(qiáng)，但PA樹(shù)脂基體因含有大量的酰胺鍵通常表現(xiàn)為極性，造成了CF與PA樹(shù)脂基體之間浸潤(rùn)性較差，界面粘結(jié)力較弱，限制了CFRPA復(fù)合材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，要想擴(kuò)大CFRPA復(fù)合材料應(yīng)用范圍，獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的CFRPA復(fù)合材料就必須對(duì)CF表面進(jìn)行改性。通過(guò)對(duì)CF表面改性可以有效增大CF表面的粗糙度，同時(shí)在其表面引進(jìn)大量的活性官能團(tuán)，改善纖維與基體之間的浸潤(rùn)性，進(jìn)而提高纖維表面與基體之間的機(jī)械嵌鎖力和化學(xué)鍵合力，使得所受應(yīng)力在纖維與基體界面之間得到有效傳遞。

(相關(guān)資料圖)

基于PA復(fù)合材料的CF表面改性方法可以分為以下三大類：干法改性、濕法改性和納米材料多尺度改性。

· 干法改性 ·

1　氣相氧化法

氣相氧化法是直接將CF置于氧化性氣體中進(jìn)行表面氧化處理。氣相氧化法操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)纖維改性效果較好。此方法主要是通過(guò)對(duì)CF表面進(jìn)行氧化，使CF表面變得更加粗糙，提高CF與PA樹(shù)脂基體間的機(jī)械嵌鎖力。同時(shí)引入活性官能團(tuán)增加CF表面能，增加與PA基體間化學(xué)鍵合力。比如用空氣對(duì)CF表面進(jìn)行氧化處理，可使改性后的CF表面粗糙度增加、比表面積增大，CF與PA基體間機(jī)械嵌鎖力增加；纖維表面生成的羧基(—COOH)和羥基(—OH)官能團(tuán)易與PA基體中的酰胺鍵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，嵌鎖力和化學(xué)鍵合力使得CFRPA界面結(jié)合力得到有效改善。除了空氣外，臭氧(O3)也可以作為氧化劑對(duì)CF表面進(jìn)行氧化，在CF表面引入—COOH，改善了CF與PA6基體間浸潤(rùn)性，使得纖維與基體的界面粘結(jié)性增強(qiáng)。

2　等離子體氧化法

等離子體氧化法是一種重要的CF改性方法。CF經(jīng)等離子體處理后在其表面生成了含氧官能團(tuán)如—OH、醚基和羰基等活性官能團(tuán)。目前最常用的是利用低溫等離子體對(duì)CF表面進(jìn)行改性。經(jīng)空氣等離子處理后的CF表面可生成大量含氧極性官能團(tuán)，改善CF表面活性，提高了纖維與PA基體潤(rùn)濕性和相互作用力，同時(shí)此改性方法不會(huì)對(duì)CF自身強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。利用氧氣等離子體對(duì)CF表面進(jìn)行改性，可使纖維表面被氧化刻蝕，同時(shí)CF表面含氧活性基團(tuán)含量增加，改善了CF和PA基體間的浸潤(rùn)性。

3　輻照處理法

輻射處理作為聚合物改性的一種高新技術(shù)，具有環(huán)保、節(jié)能、高效和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。此技術(shù)可以有效增強(qiáng)CF與PA基體的界面粘合力，又不會(huì)對(duì)CF本身強(qiáng)度造成損失。輻照光源有X射線、γ射線、電子束、微波和紫外光。其中γ射線最常用來(lái)對(duì)CF表面進(jìn)行改性，經(jīng)γ射線輻照的CF表面較未改性CF變得更加粗糙，使得CF與PA基體之間的機(jī)械嵌鎖力增加。

對(duì)CF表面進(jìn)行輻照處理可以提高其表面的活性，但輻照量過(guò)度會(huì)破壞CF表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響復(fù)合材料界面結(jié)合力。因此，控制輻照劑量對(duì)復(fù)合材料能否成功改性具有至關(guān)重要的作用。

與其它表面處理方法相比，輻照處理具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該方法高效節(jié)能、操作簡(jiǎn)單，不會(huì)在CF表面引進(jìn)其它雜質(zhì)，最重要的是適當(dāng)?shù)妮椪仗幚聿粫?huì)破壞纖維本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。但是，輻照處理還存在其它不足的地方，如設(shè)備比較昂貴；對(duì)CF的改性的機(jī)理還不能完全掌握，改性結(jié)果存在不確定性。這種改性方法雖然存在著一些缺點(diǎn)，但隨著科技的進(jìn)步，其會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

· 濕法改性 ·

1　液相氧化法

液相氧化法是通過(guò)將CF置于強(qiáng)酸（如濃硝酸）溶液，使得纖維表面發(fā)生氧化生成—COOH和—OH等基團(tuán)，提高了CF的表面活性。同時(shí)強(qiáng)酸會(huì)腐蝕CF表面，使其表面的粗糙度增加，甚至?xí)谄浔砻嫘纬晌g孔，增加CF與基體間的機(jī)械嵌鎖力。一般可采用紅外光譜、傅里葉變換紅外衰減全反射和XPS等技術(shù)對(duì)經(jīng)強(qiáng)酸改性后CF的表面進(jìn)行分析。

CF在強(qiáng)酸氧化過(guò)程中表面粗糙度有所增加，同時(shí)會(huì)在其表面形成坑槽和微裂縫等缺陷，會(huì)導(dǎo)致單根CF的強(qiáng)度降低。

2　陽(yáng)極電解氧化法

電化學(xué)改性是另一種重要的CF表面改性方法。在陽(yáng)極電解氧化法中，CF作為陽(yáng)極，而陰極通常為石墨。通過(guò)電解使得CF表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成含氧官能團(tuán)，提高了CF的表面能和粗糙度。如以碳酸氫銨為電解液、CF作為陽(yáng)極對(duì)CF進(jìn)行改性，可對(duì)CF表面產(chǎn)生刻蝕作用，經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后的纖維表面比未處理的纖維表面粗糙度明顯提高，增加了CF與PA基體間的相互作用力；另一方面，纖維表面的含氮和含氧官能團(tuán)增加，這些基團(tuán)的出現(xiàn)改善了CF表面的浸潤(rùn)性，使CF表面活性增加，能夠更好地提高CF與PA樹(shù)脂基體間的粘結(jié)性。

3　上漿處理

上漿處理可以在纖維表面引入大量活性官能團(tuán)，提高CF的表面活性，產(chǎn)生的官能團(tuán)會(huì)進(jìn)一步與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而使纖維與樹(shù)脂基體結(jié)合得更加緊密。該方法不會(huì)使纖維表面產(chǎn)生缺陷，同時(shí)不會(huì)影響其拉伸強(qiáng)度。

上漿劑的選擇很重要，其與CF及樹(shù)脂基體的相容性直接決定了CF與基體界面的粘結(jié)性，故CF上漿是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。當(dāng)上漿劑擴(kuò)散到聚合物基體中會(huì)對(duì)復(fù)合材料的界面強(qiáng)度產(chǎn)生影響，界面強(qiáng)度增強(qiáng)還是降低取決于它們之間的相容性。

采用上漿劑對(duì)CF表面進(jìn)行涂覆能有效改善CF與樹(shù)脂基體的界面粘結(jié)力，且不會(huì)對(duì)CF自身的優(yōu)異性能產(chǎn)生不利影響。但針對(duì)不同的基體需要使用不同的涂覆材料才能使改性效果達(dá)到最優(yōu)，目前關(guān)于上漿劑的選擇還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的理論。研究開(kāi)發(fā)適應(yīng)性好、更高效、更環(huán)保的上漿劑是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

· 納米材料多尺度改性 ·

CF表面附著“多尺度”納米材料是一種有效的改性方法，可以提高纖維表面化學(xué)活性，增加纖維與樹(shù)脂基體的浸潤(rùn)性，改善CF與PA 之間的界面粘結(jié)性。納米材料改性纖維表面主要有兩種方法。一種方法是通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂方法，將纖維浸入含有納米材料的懸浮液中；另一種方法是通過(guò)沉積技術(shù)，如化學(xué)氣相沉積(CVD)和注入化學(xué)氣相沉積(ICVD)將這些納米材料直接接枝到纖維表面。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，例如后者可以提高纖維／基體界面粘結(jié)強(qiáng)度，但卻會(huì)使單纖維強(qiáng)度降低。而采用浸涂法在CF表面引入納米材料，可增加CF表面粗糙度，同時(shí)改變纖維表面活性，進(jìn)而增強(qiáng)CF與PA界面間的化學(xué)鍵合力。

石墨烯和碳納米管(CNTs)都可以用于改性CF表面。如采用六亞甲基二異氰酸酯(HDI)作為偶聯(lián)劑將氧化石墨烯(GO)接枝到CF的表面上，可改善纖維表面的活性，提高纖維與PA基體的界面結(jié)合力，改性后的CFRPA復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度(IFSS)較未改性復(fù)合材料的IFSS提高了約40%。

CNTs因其優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性常被用作添加劑來(lái)改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性。CF表面接枝CNTs可以有效改善CF增強(qiáng)復(fù)合材料界面性能，目前研究主要集中在CF接枝CNTs對(duì)CF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面的影響。將CNTs接枝到纖維表面可以有效地提高其表面積，增強(qiáng)CF與PA基體界面的機(jī)械嵌鎖力，有利于應(yīng)力在基體和纖維之間傳遞；在CNTs接枝到CF表面過(guò)程中會(huì)引入大量活性官能團(tuán)，改善了CF與PA基體的浸潤(rùn)性，纖維與基體間大量化學(xué)鍵的生成，使得復(fù)合材料的界面粘結(jié)性改善。CF表面接枝CNTs，最終的改性效果取決于CNTs在CF表面均勻分布程度和CNTs與CF之間結(jié)合的強(qiáng)弱。

除石墨烯和CNTs外，納米氧化鎂和納米二氧化硅均可用于CF的表面改性，經(jīng)改性后纖維的表面粗糙度增加，表現(xiàn)出與PA基體界面間的強(qiáng)相互作用力。注：本文摘編自《工程塑料應(yīng)用》

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