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化学沉积修饰碳纤维制备碳纤维复合材料

发布时间:2023-10-30 点击次数:553次


化学沉积修饰碳纤维区别于物理沉积修饰碳纤维,是将有反应活性的物质均匀的、稳定的沉积在碳纤维表面。主要操作方法有电泳沉积、气相化学沉积、部分喷涂沉积和其它纳米颗粒沉积。

有反应活性的物质(小分子、大分子、纳米颗粒等)在碳纤维表面形成一层涂层,激活碳纤维表面活性。被激活表面活性的碳纤维制备碳纤维复合材料,在界面化学键接(或界面应力传递)方式上可以分为直连型和包裹型两种。在大部分情况下,科研工作者和企业生产者更倾向于选择直连型界面化学键接方式,因为,碳纤维-活性物质涂层-基体彼此之间靠共价键相连,可以得到更高机械强度的碳纤维复合材料。当然,具体情况还须具体分析。

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图1 沉积方式示意图

不同的沉积方法制备碳纤维复合材料会得到不同的增强效果。下面简要介绍一下电泳沉积和气相化学沉积两种方法:
1、电泳沉积法
电泳沉积是在外加电场的作用下,将分散在液体悬浮液中的带电粒子沉积在电荷相反的电极表面。在电泳沉积过程中,带电粒子的电泳运动将导致粒子的聚集,从而在电极表面形成更加坚硬和均匀的沉积物。按照过程前后,它主要包括带电颗粒的移动和沉积两个阶段。根据沉积板的性质可分为阳极和阴极电泳沉积。其中阴极电泳沉积是指带正电的粒子沉积在阴极上,阳极电泳沉积是指带负电的粒子沉积在阳极上。可见沉积模式受溶液 pH 以及颗粒表面电荷的影响。
电泳沉积工艺通常使用电源和两种电极(对电极和工作电极)以在电极之间提供所需的电场,它具有成本低、沉积速率高、易于操作、可控制沉积层厚度且沉积比较均匀的优点。基于以上优点,电泳沉积法可以通过调节电场强度、沉积时间、沉积颗粒类型等参数来调控纤维表面的沉积状况从而用来改性纤维。图2 就是一种电泳沉积酸化碳纳米管的装置示意图。
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图2 电泳沉积酸化碳纳米管的装置示意图(作者:Boccaccini)

2、气相化学沉积法
气相沉积法(CVD)是将两种或者多种气态原料在密闭的反应室中,对催化剂类型、碳源、温度和生长时间等工艺参数为反应条件发生的化学反应,在碳纤维表面沉积新物质的方法。该法是一项近二三十年发展起来的制备无机固体化合物的新技术。科研工作者利用乙炔、甲烷等气态碳源在碳纤维表面发生化学反应从而直接生成 CNT,成为目前最受欢迎的碳纤维接枝改性方法之一。
气相沉积法(CVD)法具有膜层致密均匀,与基体结合牢固的优点。但它的缺点也比较明显, 比如较高的处理温度(600-1000℃)会对碳纤维本身造成热损伤并影响其力学性能,此外在原位生长碳纳米管的过程中碳纤维还可能会被镍、钴、铁等催化剂污染。在纤维改性领域,化学气相沉积法是纤维表面改性的最重要的一种方法,通 常可通过调节化学气相沉积的时间来控制沉积层的厚度。此外,它还会受到催化剂类型、温度、碳源等因素的影响。

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