碳纖維是機械性能較為強悍的一種新型材料，可與多種基體（樹脂、金屬、陶瓷等）相結(jié)合，加工制備成工業(yè)領(lǐng)域不可多得的高性能復合材料。不過了解過碳纖維的人應該知道，碳纖維本身具有較強的惰性，想要提高它與基體的結(jié)合效果，需要對之進行一定的表面處理，如上漿劑處理、表面氧化處理、納米粒子改性處理或等離子體處理等。智上新材將結(jié)合國外專業(yè)論文，介紹另外一種碳纖維表面處理方法——火焰加熱，該處理方式可以增加CF/PA6復合材料的界面粘結(jié)強度，從而提升復合材料整體性能。
　　
 
　　碳纖維表面火焰處理過程和簡述
　　
　　國外科研團隊在針對樹脂傳遞模塑（T-RTM）工藝對CF/PA6復合材料的相關(guān)實驗中，發(fā)現(xiàn)對碳纖維織物進行表面火焰處理，可以去除水分，并提高碳纖維與PA6樹脂基體之間的界面粘結(jié)強度。在碳纖維干燥環(huán)節(jié)，即便干燥12小時，也會因為碳纖維表面親水性上漿劑的存在，導致碳纖維表面殘留水分，最終影響復合材料性能，因此團隊采用火焰加熱的方式進行表面處理。后經(jīng)分析認為，火焰處理增加了碳纖維的表面活化能，這是提高碳纖維和樹脂基體界面強粘結(jié)強度的原因。
　　
　　實驗中使用丙烷氣體(C3H8)對碳纖維織物表面進行火焰處理，火焰處理在大氣環(huán)境下進行，火焰溫度為900°C，處理時間為5秒鐘，處理距離為100mm，在每層碳纖維織物的兩側(cè)都進行加熱操作。碳纖維表面火焰處理有嚴格的要求，盡可能降低火焰對碳纖維自身和上漿劑層的損害，實驗中僅選用火焰處理后重量損失小于0.1%的碳纖維試樣。
　　
 
　　碳纖維表面火焰處理可增加CF/PA6界面粘結(jié)強度
　　
　　通過樹脂傳遞模塑（T-RTM）工藝制備CF/PA6樣品，并進行了拉伸試驗，固化溫度為120℃階段時，對比了未經(jīng)過和經(jīng)過表面火焰處理的CF/PA6試樣，可以直觀的通過顯微鏡觀察到微觀圖片中存在的差異。
　　
　　1、未經(jīng)火焰處理（下圖A）：發(fā)生不均勻聚合，形成了未反應區(qū)域，拉伸至斷裂后表面斷裂模式有2種，分別是纖維拔出和層間剝離，這2種斷裂模式的出現(xiàn)，歸因于纖維和基體之間的界面粘結(jié)強度較低。分析原因發(fā)現(xiàn)，低粘結(jié)強度很可能是由碳纖維表面殘留的水分引起，殘留水分的存在干擾了復合材料的聚合過程，導致催化劑部分失效，從而影響復合材料性能。
　　
　　2、經(jīng)過火焰處理（下圖B）：同樣在120℃溫度下，固化反應順利進行，拉伸至斷裂后未出現(xiàn)纖維拔出和層間剝離的情況，表明火焰處理有效的去除了碳纖維表面的水分，處理后表面自由能明顯增加，直接提升了纖維和基體之間的界面粘結(jié)強度。
　　
 
　　再通過觀察CF/PA6試樣在火焰處理前后的應力-應變曲線（上圖C），可以發(fā)現(xiàn)火焰處理顯著提高了碳纖維與PA6基體之間的界面粘結(jié)強度，使得CF/PA6復合材料在拉伸載荷下沒有發(fā)生剝離和纖維拔出斷裂。通過微觀圖和應變曲線都可以證實，表面火焰處理確實是有利于制備CF/PA6復合材料的重要方式。