一种光滑表面的高界面性能碳纤维及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光滑表面的高界面性能碳纤维及其应用技术领域，尤其是涉及一 种高界面性能的干喷湿纺碳纤维。
【背景技术】
[0002] 碳纤维具有碳素材料的耐摩擦、耐高温、耐腐蚀、导热、导电等特征，其外形还具有 显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，同时具有高界面性能的干喷湿纺碳纤维更是应 用在许多和国家综合实力息息相关的重要领域。因此，开发新的表面处理技术来制备具有 高界面性能的干喷湿纺碳纤维已成为新型复合材料发展的必然趋势。
[0003] 碳纤维的性能直接决定着其应用。在碳纤维的制造工艺中，表面处理工艺是极其 重要的一个生产工艺。从物理方面讲，它能很好的改善碳纤维自身的粗趟程度，增加碳纤维 与树脂的机械勸合能力，从而提高其界面性能；从化学方面讲可W使碳纤维表面的新生态 氧和含氧官能团数量增加，增加碳纤维表面极性，从而使碳纤维与树脂间的粘结强度明显 增加。因此，复合材料的性能很大程度上取决于纤维自身的界面性能，而恰当的表面处理技 术是制备高界面性能干喷湿纺碳纤维的关键。
[0004] 日本东丽T700G碳纤维，加强了拉伸模量和复合材料界面性能，主要应用在航天、 高性能体育用品等对复合材料的性能有较高要求的领域。与其相比，国内碳纤维长期W来 还无法突破表面处理该一技术壁垒，生产出具有T700G高界面性能的碳纤维，该严重影响 着我国在航天等领域的发展W及在国际上的综合地位。因此，近年来，人们对干喷湿纺碳纤 维在表面处理过程的研究越来越多。然而，当不恰当的电解质、电解液浓度和电量作用在碳 纤维上时，会使其原本增加的表面粗趟度由于过度氧化而被抹平，纤维与树脂的机械勸合 作用降低，碳纤维本身力学性能会有所下降，从而使降低复合材料的层间剪切强度，该是我 们要尽量避免的现象。
[0005] 值得一提的是，经过不断地探索和努力，我们最终摸索出生产具有高界面性能碳 纤维的表面处理工艺。通过该工艺制得的一种光滑表面的高界面性能碳纤维，其复合材料 的层间剪切强度明显增强，可达到llOMPaW上；其复合材料的界面性能明显提高；其拉伸 强度较普通碳纤维无降低甚至有所提高，可达到4900GPaW上。
【发明内容】
[0006]为克服上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 一种光滑表面的高界面性能碳纤维，碳纤维光滑表面，无明显沟槽，其沟槽深度小于直 径的3%，具有高界面性能；在复合材料断面中，碳纤维与基体界面结合优良，单向板层间剪 切强度大于大于llOMPa。
[0007] -种光滑表面的高界面性能碳纤维的制备工艺，其特征在于，包括W下步骤： (1) 使碳化处理后的碳纤维完全浸没在强碱性电解质中； (2) 在电流下，碳纤维通过表面处理池被刻蚀； (3)经过水洗、上胶、烘干、卷绕，制得具有光滑表面的高界面性能碳纤维。
[000引所述步骤（1)碱性电解质可W是化地、1(0山畑3嗎0、畑4肥化中的一种或多种混合。
[0009] 所述步骤（1)碱性电解质的浓度在1%-10%之间。
[0010] 所述步骤（2)中表面处理级数是一级或多级表面处理。
[0011] 所述步骤（2)中表面处理过程中，碳纤维处理的总电量在l-20C/g之内。
[0012] 所述步骤（3)中高界面性能碳纤维的沟槽深度小于直径的3%，具有高界面性能。
[0013] 本发明的原理如下： 阳极氧化是由电能转化为化学能的过程，也是阳极氧化、阴极还原的过程。根据电解质 水溶液性质不同，可能有W下H类反应： ① 在酸性电解液中，因水的分解而在阳极（碳纤维）表面产生新生态氧；新生态氧的 活性高，对阳极（碳纤维）进行氧化。
② 在弱碱性电解液中，则发生W下反应：
在上述反应过程中，产生了两个含氧活性基团，一个是氨氧自由基册?，另一个是新生 态氧0 ?。氨氧自由基册?也成为轻自由基，氧化还原电位高达2. 85V，仅次于氣，属于求电 子型强氧化剂，而且氧化还原的选择性高，特别容易与碳双键反应，生成了含氧官能团，从 而使碳纤维层间剪切增大。
[0014] 弱碱性电解质和纤维复合时固化剂H己基四胺中氨基的引入，能够提高纤维表面 的润湿性和范德华力，增加了化学结合点，从而提高复合材料层间剪切强度。
[0015] ③在碱性溶液中，0H-放电产生新生态氧，即
碱性电解液中0H-浓度比酸性溶液大，即40H- -?S&O+ 〇2 +祉的反应在碱性电 解质中发生的速度比在酸中速度快，相同时间产生的新生态氧浓度高，纤维表面含氧官能 团增多，氧化的效果明显。
[0016] 本发明的优点是：操作简单，可W直接应用于工业化生产线上。使用本发明得到的 碳纤维，其拉伸强度明显优于传统碳纤维，复合材料的层间剪切强度和界面性能也得到了 显著的提升。
【具体实施方式】
[0017] 一种光滑表面的高界面性能碳纤维，碳纤维表面光滑，无明显沟槽，其沟槽深度小 于直径的3%，具有高界面性能；复合材料断面中，碳纤维与基体界面结合优良。按照JC/T 773-1982(1996)标准测试，测得的单向板层间剪切强度大于llOMPa。
[0018] 一种光滑表面的高界面性能碳纤维的制备工艺，包括W下步骤： (1) 使高温炉出口处的碳纤维完全浸没在浓度为1%-10%强碱性电解质中； (2) 在电流下，碳纤维通过表面处理池被刻蚀，碳纤维获得电量为l-20C/g; (3)经过水洗、上胶、烘干、卷绕，制得具有光滑表面的高界面性能碳纤维，碳纤维的沟 槽深度小于直径的3%，碳纤维的单向板层间剪切强度大于llOMPa。
[0019] 下面结合具体实施例，对本发明进一步阐述： 实施例1 ; 使高温炉出口处的碳纤维完全浸没在5%的强碱性电解液化0H中，在指定电流下，碳纤 维通过表面处理池被刻蚀，得到的电量为5C/g;经过水洗、上胶、烘干、卷绕，所得碳纤维即 为符合本发明的碳纤维。
[0020] 实施例2 : 使高温炉出口处的碳纤维完全浸没在5%的强碱性电解液化0H中，在指定电流下，碳纤 维通过表面处理池被刻蚀，得到的电量为lOC/g;经过水洗、上胶、烘干、卷绕，所得碳纤维 即为符合本发明的碳纤维。
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