摘要：碳纖維（CarbonFiber）增強樹脂基復合材料（CFRP）是先進復合材料的典型代表，具有密度小、力學性能優(yōu)異、耐熱、耐低溫等優(yōu)點，在航空航天、軍事、汽車、體育等領域具有重要的應用前景，但是碳纖維表面光滑呈惰性，與樹脂基體的界面粘結性差，限制了CFRP復合材料性能的發(fā)揮。針對這一問題，本文采用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復合材料的增強相和樹脂基體，展開CF的表面處理及其CFRP復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，通過單絲拔出實驗測試復合材料的界面結合強度來表征復合材料的界面粘結性能，并分析了機械錨定和化學鍵合兩種作用共同出現(xiàn)并對復合材料界面性能起改善作用時，兩個因素之間的關系，以及起主導作用的因素，對碳纖維與樹脂間相容性機理的研究具有知道作用。

    1、引言

    1.1碳纖維概述

    碳纖維是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化和石墨化制成的纖維狀碳，是一種高性能的先進非金屬材料。根據原料不同，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，產量占碳纖維總產量的90％以上。由于原料及制法不同，所得碳纖維的性能也不一樣。根據力學性能的不同，碳纖維可分為超高強度碳纖維（UHS）、高強度碳纖維（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。

    我國對碳纖維的研究始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。目前，利用自主技術研制的少數國產T300、T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水品。但是與國際水平相比，國產碳纖維強度低、平均穩(wěn)定性差、毛絲多、品種單一且價格昂貴，而且國內碳纖維總生產能力較小，不能滿足國內的需要，仍需大量進口。這些都嚴重影響了我國高新技術的發(fā)展，尤其制約了航空航天及國防軍工事業(yè)的發(fā)展，與我國的經濟發(fā)展進程不相稱。所以研制生產高性能和高質量的碳纖維以滿足軍工和民用產品的需求，扭轉大量進口的局面，是當前我國碳纖維工業(yè)發(fā)展的迫切任務。

    碳纖維具有石墨的基本結構，但不是理想的石墨點陣結構，而是所謂的亂層石墨結構。在碳纖維形成過程中，其表面會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目有關。碳纖維的密度小，質量輕，相當于鋼密度的1/4，鋁合金密度的1/2；具有優(yōu)異的力學性能，熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點。

    1.2碳纖維復合材料

    盡管碳纖維單獨使用發(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合在一起時，才能有效發(fā)揮其優(yōu)異的力學性能。因此，碳纖維主要用作復合材料中的增強相。目前用途最廣的是碳纖維增強樹脂基復合材料。主要分為兩大類：一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預聚體或帶有活性基團高分子量聚合物組成；成型過程中，在固化劑或熱作用下進行交聯(lián)、縮聚，形成不熔不溶的交聯(lián)體型結構。在復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，碳纖維增強樹脂基復合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質量輕、機械強度高的優(yōu)點，不僅在軍事國防、航空航天等尖端領域，在汽車、電子電器、體育用品等民用領域也得到了廣泛的應用。

    1.3復合材料的界面

    復合材料的界面是由復合材料中增強材料表面與基體材料表面相互作用形成的。它不是簡單的幾何平面，而是包含著兩相之間的過渡區(qū)域的三維界面相，界面相內的化學組成、分子排列、熱性能、力學性能呈現(xiàn)連續(xù)梯度性變化。界面相很薄，是準微觀的，它的結構由增強材料與基體材料表面的組成及二者之間的反應性能決定的。在兩相復合過程中，會出現(xiàn)熱應力、界面化學效應和界面結晶效應，這些效應對復合材料的宏觀性能產生直接的影響。

    對于纖維樹脂基復合材料，其界面的形成可以分為兩個階段，第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤過程。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性好，粘結界面可形成大的分子間作用力，因此具有高地粘結強度；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，同時也直接決定著所形成界面層的結構。