碳纤维（CF）表面接枝对聚酰亚胺（PMR-15）基复合材料界面性能的影响张德庆\胡玉洁\魏月贞2（1.齐齐哈尔大学，齐齐哈尔161006；2哈尔滨工业大学，哈尔滨150001）分析。同时测定了CF/PMR-15层间剪切强度。拉伸强度和冲击强度，研宄了表面接枝对CF/PMR-15界面强度和韧性的影响。

　　界面层作为极为重要的微结构，其性能优劣在一定程度上对CFRP的整体性能起着决定性作用因此人们己经开展了大量旨在提高CFRP界面性能的研究工作，主要是对碳纤维表面进行物理或化学处理，或对树脂浸润过程进行强化碳纤维冷等离子体处理技术是提高CFRP界面性能的有效方法。高强型碳纤维经空气冷等离子体连续处理，其环氧树脂复合材料的层间剪切强度和拉伸强度分别提高约36%和11%采用等离子体处理及聚合接枝改性碳纤维，向CFRP中引入可塑可防水的混杂界面层，使CFRP韧性提高148%，材料破坏过程由脆性破坏转变为韧性破坏，材料模量、层间剪切强度、玻璃化强度等也同时提高本文中采用冷离子体连续表面接枝技术对碳纤维进行表面改性，分析碳纤维表面特征，讨论CF/PMR-15复合材料的层间剪切强度等与界面性能相关的力学性能的变化，以说明冷等离子体连续表面接枝在改善碳纤维复合材料界面性能上的作用。

　　1实验方法1主要实验材料及设备1.1.1主要实验材料碳纤维（CF）无涂层PAN基高强型，吉林炭素厂；T-300-―涂层表面处理碳纤维，日本东丽公司；PMR-15热固性聚酰亚胺树脂基体，中科院北京化学研究所；Na酸酐一一降冰片烯二酸酐，上海南翔化学试剂厂；基金项目：本项目为国家“863‘高技术计划资助项目部分内容有机硅烷一一乙烯基甲氧基乙氧基）硅烷，哈尔滨化工研究所。

　　1.1.2主要实验设备S-550扫描电镜，日本日立公司Clem-30D-CPC-―示波冲击试验机，东京试验机制作所X-光电子能谱仪，LAB-MMI型，英国VG有限公司。

　　1.2实验方法碳纤维经过一定浓度的单体溶液连续浸渍后进行一定功率的空气冷等离子体连续接枝，溶剂处理除去纤维表面上均聚物和残余单体烘干进行XPS分析；模压制备CF/PMR-15复合材料，研究其界面性能2结果与讨论2.1碳纤维表面组成采用XPS测定未处理CFNa接枝CF空气冷等离子体处理CF的表面上氧（O）氮（N）碳（C）三种元素的原子百分数，见表1从表1可见，进行冷等离子体连续表面处理后，碳纤维表面上的CON三种元素的原子百分数发生了变化经Na接枝后，CF表面上氧含量有了较大提高，约提高了14.（%，而用空气冷等离子体处理的CF的含氧量只提高了％。这种差异我们认为正是由于Na酸酐是含氧单体造成的。含氮量的加则主要是由于空气中的氮造成的2.2碳纤维表面特征基团把Na接枝及未处理CF的XPS谱C1s谱峰迭绘在一张图上，见图中可见Na接枝后CF表面的键能在285~289（eV）之间出现了新的碳原子，这种碳原子主要来自于接枝物根据XPS的键能指纹分析可知脂肪族碳的键能都是很接近的，而羰基碳则与之不同采用计算机对Na接枝CF表面的XPS-：1s峰进行分峰处理，得及表2表2na接枝碳纤维表面C1s峰的峰分解数据Tabel从表中可以计算出脂肪族碳与羰基碳之比为2.97而Na酸酐中只存在脂肪族碳和羰基碳两种碳，其比值为3.50可见，CF表面上的接枝物与使用的接枝单体的原子组成基本一致，只是结构未必一致由此可知通过改变接枝单体可以改变CF表面的原子组成对于Na接枝的CF，由表2知，每74.23个碳纤维碳上接有羰基碳6. 49个（平均值），也就是相当于接枝有3.25个Na单体分子，可以计算出每百个碳纤维碳上接枝Na单体分子数平均为4.38. 3碳纤维连续表面接枝对CF/PMR-15复合材料界面强度的影响在各自较佳条件下用不同单体对碳纤维进行冷等离子体连续表面接枝，CF/PMR-15的剪切强度和拉伸强度的测定结果见表3从表3可知，采用Na酸酐和有机硅烷对碳纤维表面进行接枝时，由于这两种单体中含有可与PMR-15反应的基团，所以剪切强度和拉伸强度均较未处理情况有较大提高；而采用甲基硅橡胶接枝时，由于甲基硅橡胶对PMR-15反应呈惰性，使CF/PMR-15性能下降较大在层间剪切试验中主要是测定纤维与树脂间界面的剪切强度。在纤维、基本树脂相同及成型工艺相同条件下，界面剪切强度与层间剪切强度是相互对应的若碳纤维与PMR-15基体间形成的界面强度高则试样的层间剪切强度高。对于拉伸试验，试样受到沿纤维排列方向的拉应力的作用，此时纤维与基体间界面的作用主要是均匀传递拉应力当界面强度较高时，由于界面传递应力的作用使纤维与基体呈现整体受力状态，个别纤维断裂从基体中拔脱较少，*终在拉应力达到一定值时，复合材料整体脆性断裂，具有较高拉伸强度；相反，则由于界面传递应力作用差使纤维与基体受力不均，各处的纤维基体在较低应力下各自断裂，拉伸强度较低经比较，吉林炭素厂生产的高强度碳纤维经过合适单体冷等离子体表面接枝后，其PMR-15复合材料的界面强度超过了T-300/PMR-15复合材料的界面强度，且使其复合材料的层间剪切强度和拉伸强度同时提高4碳纤维连续表面接枝对CF/PMR-15界面韧性的影响采用示波冲击试验机进行了不同碳纤维表面处理的CF/PMR-15复合材料的Charpy冲击试验，结碳纤维经冷等离子体表面处理后，其CF/PMR-15的裂纹起始能量Ei均有较大提高，而裂纹扩展能量Ep却均下降，以空气冷等离子体处理下降*大，而Na接枝Ep只有较小下降，且总冲击能高于未处理的冲击破坏可以分成裂纹起始区和裂纹扩展区起始区即宏观裂纹形成区。随载荷加冲击压缩面发生纤维和基体微屈或界面开裂并*终通过拉伸破坏或剪切破坏形成宏观起始裂纹裂纹扩展区中裂纹或者以低载荷连续吸收能量方式使纤维脱胶、拔脱，吸收较多能量；或者在高载荷下快速扩展，使纤维、基体断裂，吸收较少能量对于CF/PMR-15其冲击断裂方式主要与纤维和基体间界面韧性有关由于碳纤维和基体均为脆性材料，断裂应变非常低，如果它们之间的界面韧性差、强度低，则在快速动载荷的作用下界面迅速开裂，纤维和基体各个击破，在低载荷下出现初始裂纹，体现较低的Ei值；而裂纹扩展时，由于相似的原因，在较低载荷下造成大量纤维脱胶、拔出，扩展时间略长，吸收大量冲击能，体现较高Ep值，未处理CF/PMR-15就属此类。虽然它具有一定的韧性，但由于其承受的冲击载荷低，故没有实用价值对于界面强度较高的情况，纤维与基体呈现整体受力，虽然材料断裂应变较小，但需在较高载荷下才形成起始裂纹，故具有较高的Ei值。当裂纹扩展时，裂纹尖端形成一个高应力区这时若界面层韧性差则无法通过界面层形变来缓解高应力并改变其作用方向，从而造成尖端局部应力集中，裂纹横断纤维和基体而使材料脆断，体现较低的Ep，空气冷等离子体处理则属此类相反若界面层具有一定韧性，则可以通过界面层形变缓解应力并改变其作用方向，造成部分纤维脱胶和基体开裂，吸收冲击能，NA酸果稿4213为也现PMR-15波冲1击黑。cisi酐接枝和T-300两种情况就属此类。，://www.Cnki.net 2.5CF/PMR-15冲击断口形貌分析对冲击断口进行扫描电镜观察，照片见对4（a），冲击断口大量纤维拔脱，纤维上几乎不粘树脂，可见纤维与基体间的界面结合很差。对4（b）、4 4（d），冲击断口平整，纤维拔脱少，界面结合牢4（d）中存在一些以纤维胶束为单位的脱胶开裂和基体开裂，以及短纤维的拔脱，说明纤维与基体间界面具有一定韧性，在裂纹扩展中，界面形变改变应力方向，造成相当数量的二次开裂，大了开裂面积而4（c）则几乎无二次开裂，开裂面积小。

　　断口形貌观察可定性支持2.4中对冲击断裂机制的分析。

　　3结论冷离子体连续表面接枝可以改变碳纤维表面组成，且其组成变化与所采用的接枝单体相关；碳纤维表面接枝物特征基团与接枝单体的分子组成基本一致通过合适单体的表面接枝处理的碳纤维，其PMR-15复合材料的界面强度得到提高，使其层间剪切强度和拉伸强度提高，同时其界面韧性也有一定的提高