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碳纤维表面改性及其PPS复合材料制备与界面性能研究

摘要

随着工业技术的进步，对材料性能的要求也越来越高，应用纤维织物增强聚合

物基复合材料已成为实现结构轻量化的重要技术手段之一，有助于节能减排并进一

步提高经济效益，这也是新材料强国战略的重要发展方向。碳纤维（CF）具有高比

强度和比刚度、高热稳定性、高导电性和耐腐蚀等优异性能，在航空航天、体育休

闲、轨道交通与汽车等领域具有广泛的应用前景。碳纤维增强热塑性树脂基复合材

料具有优异的抗损伤性和抗冲击性，不仅可以快速高效成型，且相较于热固性复合

材料具备更好的回收再利用特性，因此成为近年复合材料领域的研究热点之一。聚

苯硫醚（polyphenylenesulfide）作为热塑性树脂具备优异的耐热性、耐化学性、机械

性能，被视为高性能热塑性基体材料。然而CF/PPS复合材料成型过程中由于CF表

面的光滑与化学惰性，CF纤维集合体与高温熔融的高粘度PPS树脂间的浸渍行为

复杂，会直接影响复合材料微观结构、两相界面结合性能及其宏观力学性能。

本文利用热处理脱浆与常温常压等离子体表面处理技术，对CF展开表面改性

研究，基于CF表面物理化学结构探讨表面改性对纤维润湿性及其两相热力学粘附

性的影响规律。表面化学分析证实，热处理脱浆工艺可实现商用CF表面环氧树脂

体系上浆剂的脱除，热处理后纤维表面氧原子含量大幅度降低，氧碳比降低。然后

通过常温常压等离子体处理使用不同气氛对热处理脱浆碳纤维进行表面改性，结果

表明氧气和氩气等离子体处理均在碳纤维表面引入含氧极性基团，其中氧气等离子

2

改性CF与PPS树脂间的润湿性提高，两相间润湿铺展系数提高到18.30mJ/m，热

2

力学粘附功可达到80.37mJ/m。此外，本文提出的碳纤维常温常压等离子体表面改

性工艺方法适用于工业中的连续处理碳纤维工艺流程。

其次，针对热塑性复合材料热压成型工艺特点，对CF织物压缩行为进行表征

分析，探讨不同纤维表面改性工艺处理的CF纤维集合体在压缩载荷作用下其微观

结构的演变规律，系统分析其压缩性能，从而为热塑性复合材料模压成型工艺的优

化、产品微观结构与宏观力学性能的调控提供相关理论依据。通过研究发现，随着

施加载荷的增加，织物中纤维体积分数呈现非线性增大趋势。此外，CF织物具有粘

弹性特性和应力松弛特性，与原始CF织物相比，脱浆表面处理后织物的应力松弛

现象得到缓解。与CF相比，CF-PPS应力下降慢且降低幅度小（10.80%），PPS薄膜

的存在使得CF织物保持一定的稳定性，减缓了CF织物的应力松弛。

最后，基于热压成型工艺制备CF/PPS复合材料层合板，分析表面改性、成型工

艺以及织物结构对CF/PPS复合材料力学性能的影响规律。通过弯曲强度与层间剪

切强度测试，对不同的CF/PPS复合材料力学性能进行表征，探究CF/PPS复合材料

界面增强机理。结果表明：预压工艺有利于纤维的紧密排列，增强了熔融PPS树脂

向碳纤维集合体内部的浸润，从而提高界面结合，增强力学性能，其中与无预压的

PCF(O)/PPS复合材料相比，预压后弯曲强度与层间剪切强度提高了87.32%和

2

60.53%；碳纤维表面的处理工艺有效的改善了增强了纤维与树脂间的浸润，增强了

两者的界面结合，其中PCF(O)/PPS的界面结合最好，弯曲强度与层间剪切强度较

2

CF/PPS分别提高了63.37%和53.24%；3K碳纤维平纹织物复合材料的弯曲强度、

ILSS除CF/PPS外，均低于12K织物。

关键词：碳纤维；PPS；表面改性；浸渍行为；复合材料

SurfaceModificationofCarbonFibersandPreparationandInterfacial

PropertiesoftheirPPSComposites

Abstrac