碳纤维增强聚芳醚酮复合材料制备阶段的碳纤维界面处理

　　基于特种塑料聚芳醚酮（PAEK）类的高性能碳纤维复合材料的研究工作已经进行了十数年的时间，通过对碳纤维和聚芳醚酮类基体塑料的深入研究，发现该类型复合材料的机械性能取决于碳纤维的形态（连续与不连续）、复合材料中基体的体积分数和取向、以及复合材料的制备工艺（包括压缩、注射、挤出等）。不连续碳纤维（短切、长切等）是过去十几年研究的重点，但却不是性能最优的部分，单向连续碳纤维的研究正在逐渐增多，但囿于技术问题，想要制备高性能连续碳纤维增强聚芳醚酮类复合材料，还需要更多更深入的研究和更全面的设备支持。

　　碳纤维增强聚芳醚酮类复合材料制备的难点是什么？

　　其实现阶段碳纤维增强聚芳醚酮类复合材料的制备，在浸润环节就卡住了。聚芳醚酮类特种塑料（如PEEK、PEKK、PEKEKK等）的高熔体粘度在370~ 400℃时约为100~1500Pa·s。高熔体粘度的存在会阻止复合材料实现聚芳醚酮基体对碳纤维的完全润湿和覆盖，从而导致复合材料结构内出现较大的空隙，降低整体的机械性能。

　　目前可行的解决方式是将该类复合材料的加工温度提高50~80°C，高于聚芳醚酮类特种塑料熔化温度，以改善流动性并确保纤维润湿。另外还可以通过添加相容性增塑剂（例如热致液晶聚合物和大环化合物）来降低熔体的粘度，从而降低所需的加工温度。不过这两类方式在理论上可行，但在真正实践中也存在不少的问题，否则碳纤维增强聚芳醚酮复合材料的制备就不会在过去的十几年内都难以突破了。

　　碳纤维界面处理有助于提高制备聚芳醚酮类复合材料的成功性

　　碳纤维表面聚芳醚酮特种塑料具有相对惰性，想要牢固的完成界面结合，需要通过额外的物理或化学处理进行表面活化，较为典型的表面处理方式包括上浆剂处理、电化学氧化、等离子体处理和表面接枝。不同处理方式存在各自的优缺点，在技术尚未成熟的阶段，都不能作为批量生产制备的主要方式使用。

　　1、上浆剂处理：上浆剂是低分子量或完全开发的聚合物，可直接应用于碳纤维表面，以增强基体聚合物的粘附力并减少纤维加工过程中的纤维损伤。目前热固性碳纤维复合材料制备中，就有类似的上浆剂使用。不过针对不同的基体材料，需要选择应用的上浆剂存在较大的差异。

　　改善碳纤维和聚芳醚酮基体之间相互作用的上浆剂通常是通过键合缠结连接，将上浆剂与聚芳醚酮基体进行一定程度的混合，聚醚酰亚胺(PEI)就是不错的上浆剂选择，它具有不错的热稳定性，并且可与聚醚醚酮部分溶解。研究发现，具有与基体材料相似的化学结构的上浆剂可有效提高碳纤维表面的粘附力，从而提升热塑性碳纤维复合材料界面粘合的效果。

　　2、等离子处理：等离子处理是将碳纤维暴露于等离子气体中，以增加表面粗糙度并向碳纤维表面引入极性官能团以改善聚芳醚酮基体的湿润性和粘附力。其本质是通过使用各种气体来实现的，例如空气、氧气、氨气和氮气。等离子体处理通过添加羰基、羧酸和醇残基来增加碳纤维表面的酸性和疏水性。

　　等离子表面处理可以改善界面粘合和剪切强度，但过度暴露于等离子中会降低单根纤维的拉伸强度。 因此，成功的等离子体改性需要严格控制最佳暴露条件，在不牺牲纤维机械性能的情况下产生改进的界面。

　　3、电化学氧化：电化学氧化用于将极性官能团引入碳纤维表面，从而改善纤维和聚合物之间的界面相互作用，碳纤维表面添加的官能团类型包括羟基（C-OH）、羰基（C=O）和羧基（COOH）。电化学氧化增强碳纤维表面的化学反应性，可提升复合材料中的界面结合效果。 除了依赖于与聚芳醚酮类基体的直接相互作用外，还可以通过低聚物接枝技术对碳纤维表面进行进一步功能化，从而进一步改善界面结合。

　　4、表面接枝：表面接枝依赖于与碳纤维表面的直接化学反应，从而在表面官能团与聚合物或界面改性剂之间形成共价键。不过在过去十几年中，在热塑性碳纤维复合材料制备中使用表面接枝的案例很少，应用在特种塑料上的案例就更少了，但这是未来技术发展的一个重要方向，在高性能热塑性碳纤维聚芳醚酮复合材料的制备中可能具有极大的发展空间。

　　高性能碳纤维复合材料发展至今，虽然在技术层面遇到极大的困难，但同样也有了一定的成果，碳纤维聚醚醚酮（CF/PEEK）就是目前可制备高性能碳纤维复合材料中综合性能较高的一种，在航空航天领域可以发挥出极好的效果。智上新材料认为，不仅是聚芳醚酮特种塑料，未来高品级连续碳纤维还可能与更多高性能特种塑料结合，为碳纤维产业和新材料世界提供更有力的助推力。