文献综述
摘要 碳纤维因其优异的综合性能常被用作树脂基体的增强材料．然而由于碳纤维与树脂基体之间的界面结合性能较差，其增强的复合材料的力学性能往往与理论值相差甚远，因此必须对碳纤维进行表面改性，以提高其与聚合物基体的界面粘结性能。目前对碳纤维的表面改性主要针对以下3个方面来进行：一是在纤维表面引入羰基、羧基和羟基等活性官能团；二是对纤维表面进行刻蚀，提高纤维表面粗糙度，增大纤维比表面积；三是去除纤维表面的弱界面层。概括起来可以分为涂层法、氧化法、高能辐射处理法等。
关键词 碳纤维 表面改性 涂覆和热处理 电化学性能
1.1 碳纤维表面改性方法
碳纤维（CF）以其高比强度、高比模量、小的线膨胀系数、低密度、耐高温、抗腐蚀、优异的热及电传导性等特点，被称为新材料之王，常用作高性能树脂基复合材料的增强材料，广泛应用于飞机制造、国防军工、汽车、医疗器械、体育器材等方面[1-2]。工业化生产的碳纤维按前驱体原料的不同可以分为：聚丙烯腈基（PAN‐based）、黏胶基、沥青基碳纤维和气相生长碳纤维[2-6]。与另外３种碳纤维相比，PAN基碳纤维生产工艺简单，产品力学性能优异，产量约占全球碳纤维总产量的90％以上[5]。自1962年问世以来，PAN基碳纤维取得了长足的发展，成为碳纤维工业生产的主流[7]。由于碳纤维原丝表面由大量惰性石墨微晶堆砌而成，所以原丝表面呈非极性[8-9]，表面能小，与树脂基体的浸润性差，界面结合性能差。此外，高性能的碳纤维表面光滑，比表面积小，这也使得纤维与基体之间不能形成有效的机械锚合作用，纤维与树脂基体之间的界面强度下降。因此，必须对碳纤维进行表面改性，以提高其与聚合物基体的界面粘结性能。目前对碳纤维的表面改性主要针对以下3个方面来进行：一是在纤维表面引入羰基、羧基和羟基等活性官能团，提高纤维表面的树脂润湿性和化学键合作用[10]；二是对纤维表面进行刻蚀，提高纤维表面粗糙度，增大纤维比表面积，进而实现与树脂基体之间形成机械互锁结构[11]；三是去除纤维表面的弱界面层．针对碳纤维表面结构特性，研究者提出了很多方法对其进行表面改性，概括起来可以分为涂层法、氧化法、高能辐射处理法等。
1.1.1 涂层法
涂层法主要是在纤维表面形成一种能够与增强纤维和树脂基体发生物理化学作用的，具有一定结构、厚度和剪切强度的中间层，进而实现复合材料的界面增强。针对不同的树脂基体与增强纤维，可以通过表面涂层技术设计不同的涂层结构，因此该处理方法具有较大的灵活性，常见的有上浆剂处理、偶联剂涂覆、聚合物涂层、气相沉积等。
1.1.2 氧化法
氧化法是一种针对碳纤维的表面处理技术，主要有液相氧化法、气相氧化法、阳极氧化法等。
液相氧化法通常是将碳纤维浸泡在硝酸[12-13]、硫酸[14]、磷酸[15]、过氧化氢[8]、氨水[16]等具有氧化性的溶剂中进行氧化处理。随着反应时间的增加，纤维表面产生不同浓度的含氧官能团，同时纤维表面的粗糙度及比表面积也因刻蚀而增大。WU等[12]采用HNO３溶液对碳纤维进行氧化处理，研究发现，随着氧化时间的延长CF表面的酸性基团增多；但同时纤维的拉伸强度下降，质量有所损失。ZHANG等[14]通过X射线能谱及拉曼光谱分析了H２SO４／HNO３对碳纤维表面的氧化机理。作者发现在氧化过程中碳纤维表面出现4个O1s、2个N1s和2个S2p峰。随着处理时间的延长，2个O1s、2个N1s和2个S2p峰消失，产生－COOH基团，且其含量不随其他基团的消失而发生变化。作者认为氧化过程主要是酸攻击碳纤维表面的碳原子，并为碳原子进一步氧化为－COOH做准备，最终碳纤维表面活性基团仅为－COOH。YU等[17]通过K２S２O８／AgNO３ 溶液组合对PAN基碳纤维表面进行氧化处理，在碳纤维表面引入羧基、羟基等功能基团。使得CF／Epoxy复合材料界面剪切强度提高62.5％。同时，该方法能够有效维持碳纤维表面形貌，避免了其他处理方法对碳纤维表面刻蚀引起的纤维强度破坏，从而能够最终实现复合材料综合性能提高。
