摘要：碳纖維（CarbonFiber）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍事、汽車、體育等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，但是碳纖維表面光滑呈惰性，與樹脂基體的界面粘結(jié)性差，限制了CFRP復(fù)合材料性能的發(fā)揮。針對(duì)這一問題，本文采用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和樹脂基體，展開CF的表面處理及其CFRP復(fù)合材料界面性能的研究。本文采用氨水處理和濃HNO3處理碳纖維表面，通過單絲拔出實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度來表征復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能，并分析了機(jī)械錨定和化學(xué)鍵合兩種作用共同出現(xiàn)并對(duì)復(fù)合材料界面性能起改善作用時(shí)，兩個(gè)因素之間的關(guān)系，以及起主導(dǎo)作用的因素，對(duì)碳纖維與樹脂間相容性機(jī)理的研究具有知道作用。

    1、引言

    1.1碳纖維概述

    碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化和石墨化制成的纖維狀碳，是一種高性能的先進(jìn)非金屬材料。根據(jù)原料不同，碳纖維可分為聚丙烯腈（PAN）系碳纖維、瀝青系碳纖維、黏膠系碳纖維、人造絲系碳纖維等。其中聚丙烯腈基碳纖維綜合性能最好，產(chǎn)量占碳纖維總產(chǎn)量的90％以上。由于原料及制法不同，所得碳纖維的性能也不一樣。根據(jù)力學(xué)性能的不同，碳纖維可分為超高強(qiáng)度碳纖維（UHS）、高強(qiáng)度碳纖維（HS）、超高模量碳纖維（UHM）、高模量碳纖維（HM）、中等模量碳纖維（MM）、普通碳纖維等等。

    我國(guó)對(duì)碳纖維的研究始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。目前，利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國(guó)產(chǎn)T300、T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水品。但是與國(guó)際水平相比，國(guó)產(chǎn)碳纖維強(qiáng)度低、平均穩(wěn)定性差、毛絲多、品種單一且價(jià)格昂貴，而且國(guó)內(nèi)碳纖維總生產(chǎn)能力較小，不能滿足國(guó)內(nèi)的需要，仍需大量進(jìn)口。這些都嚴(yán)重影響了我國(guó)高新技術(shù)的發(fā)展，尤其制約了航空航天及國(guó)防軍工事業(yè)的發(fā)展，與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程不相稱。所以研制生產(chǎn)高性能和高質(zhì)量的碳纖維以滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口的局面，是當(dāng)前我國(guó)碳纖維工業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)。

    碳纖維具有石墨的基本結(jié)構(gòu)，但不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是所謂的亂層石墨結(jié)構(gòu)。在碳纖維形成過程中，其表面會(huì)形成各種微小的缺陷，碳纖維的表面活性與處于邊緣和缺陷位置的碳原子數(shù)目有關(guān)。碳纖維的密度小，質(zhì)量輕，相當(dāng)于鋼密度的1/4，鋁合金密度的1/2；具有優(yōu)異的力學(xué)性能，熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

    1.2碳纖維復(fù)合材料

    盡管碳纖維單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能，但它屬于脆性材料，只有將它基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí)，才能有效發(fā)揮其優(yōu)異的力學(xué)性能。因此，碳纖維主要用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)相。目前用途最廣的是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。主要分為兩大類：一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成；成型過程中，在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料中常采用的有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成，在一定條件下溶解熔融，只發(fā)生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯等。

    與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，不僅在軍事國(guó)防、航空航天等尖端領(lǐng)域，在汽車、電子電器、體育用品等民用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

    1.3復(fù)合材料的界面

    復(fù)合材料的界面是由復(fù)合材料中增強(qiáng)材料表面與基體材料表面相互作用形成的。它不是簡(jiǎn)單的幾何平面，而是包含著兩相之間的過渡區(qū)域的三維界面相，界面相內(nèi)的化學(xué)組成、分子排列、熱性能、力學(xué)性能呈現(xiàn)連續(xù)梯度性變化。界面相很薄，是準(zhǔn)微觀的，它的結(jié)構(gòu)由增強(qiáng)材料與基體材料表面的組成及二者之間的反應(yīng)性能決定的。在兩相復(fù)合過程中，會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力、界面化學(xué)效應(yīng)和界面結(jié)晶效應(yīng)，這些效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的宏觀性能產(chǎn)生直接的影響。

    對(duì)于纖維樹脂基復(fù)合材料，其界面的形成可以分為兩個(gè)階段，第一階段是基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過程。這一過程主要取決于纖維和基體的表面自由能，具有高表面自由能的纖維與基體浸潤(rùn)性好，粘結(jié)界面可形成大的分子間作用力，因此具有高地粘結(jié)強(qiáng)度；第二階段是纖維與基體間通過相互作用來使界面固定下來，形成固定的界面層。這一階段受第一階段的影響，同時(shí)也直接決定著所形成界面層的結(jié)構(gòu)。