臭氧氧化处理提升碳纤维复合材料性能研究

"本文详细探讨了碳纤维表面处理技术，特别是臭氧氧化处理对碳纤维及其复合材料性能的影响。文中提到了使用中频臭氧发生器对12K碳纤维进行表面处理，通过调整氧气流量来控制臭氧浓度，旨在增强碳纤维与环氧树脂之间的界面粘结性能。" 在碳纤维的表面处理中，采用的主要材料包括12K碳纤维（来自山东天泰碳纤维有限责任公司）、JF43环氧树脂（无锡树脂厂生产）以及甲酚甲醛树脂作为固化剂。处理过程中使用的设备有X射线光电子能谱仪（XPS）用于分析纤维表面的化学成分变化，电子拉力试验机和动态材料试验机则用于检测材料的力学性能。中频臭氧发生器（XFZ-5BI型，由清华大学臭氧技术研究室制造）被用来产生浓度为10~36 mg/L的臭氧。 碳纤维表面处理的参数如表1所示，包括处理室的长度、温度、纤维牵引速度、臭氧发生器电流和电压、氧气压力以及流量等。臭氧处理的时间设定为3.3分钟。处理后，使用XPS测试碳纤维表面的元素组成和官能团变化。实验发现，臭氧处理主要增加了碳纤维表面的羟基或醚基官能团，这些官能团有助于改善碳纤维与环氧树脂的界面粘结。 通过XPS分析，研究人员发现臭氧氧化处理可以显著提升碳纤维与环氧树脂复合材料的界面粘结性，从而提高层间剪切强度。碳纤维未经处理时，其与树脂基体的粘结力较弱，导致复合材料的整体力学性能下降。而经过臭氧处理后，碳纤维表面的极性或反应性官能团增多，增强了树脂对纤维的湿润性和粘附性，从而提高了复合材料的层间剪切强度和弯曲强度。 目前，碳纤维表面处理方法多样，包括酸氧化、等离子体处理、电化学氧化和臭氧氧化等。臭氧氧化法因其处理时间短、设备工艺简单、氧化过程温和可控，特别适用于与碳纤维生产流程的集成。XPS作为一种非破坏性的表面分析工具，在碳纤维表面改性研究中发挥着关键作用，能准确揭示表面化学结构的改变。 本文深入研究了臭氧氧化处理对碳纤维表面的改性及其对复合材料性能的影响，为提高碳纤维复合材料的性能提供了新的见解和技术路径。这种处理方法对于优化航空航天、汽车制造、体育器材等领域的碳纤维复合材料制品具有重要意义。