本發(fā)明屬于碳纖維處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是指經(jīng)高溫碳化，含碳量超過85％以上的纖維材料，包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機(jī)纖維經(jīng)1000～2300℃處理后，含碳量為85％～95％的纖維；石墨纖維是有機(jī)纖維經(jīng)2300℃以上處理，含碳量在98％以上的纖維。碳纖維作為一種高性能纖維，因具有比強度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、耐低溫性能良好等特性而成為近年來樹脂基復(fù)合材料最重要的增強材料，被廣泛應(yīng)用在航空航天構(gòu)件和體育用品中。碳纖維表面呈惰性，比表面積小，邊緣活性碳原子少,表面能低和樹脂浸潤性及兩相界面粘結(jié)性差，復(fù)合材料層間剪切強度(Interlaminar Shearing Strength,ILSS)低，從而影響復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮，制約了碳纖維在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了改善碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能，須對碳纖維表面進(jìn)行改性，以提高碳纖維與其他材料的粘結(jié)能力。
在各種表面處理方法中，電化學(xué)氧化方法因其擁有可連續(xù)生產(chǎn)、簡單易操作、處理條件溫和易于控制等特點，已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，但其同樣存在以損傷碳纖維本征抗張強度為代價提高碳纖維表面性能的弊端。碳纖維抗張強度的降低主要源于表面處理過程中深度氧化刻蝕作用在碳纖維表面引入了新的缺陷。這些缺陷來自于外層有序晶體層剝落后露出的內(nèi)部無序結(jié)構(gòu)在纖維本體上增加的薄弱點。針對碳纖維表面處理過程抗張強度降低的成因，我們通過適度刻蝕作用對碳纖維表面缺陷進(jìn)行修飾；并通過適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)處理在碳纖維上產(chǎn)生細(xì)晶化作用，減小晶粒尺寸，產(chǎn)生大量新生晶界，阻止裂紋的擴(kuò)展；達(dá)到同時提高碳纖維本征抗張強度和層間剪切強度的目的。
目前以改善碳纖維表面結(jié)構(gòu)提高抗張強度為目的研究極少，更鮮有以電化學(xué)氧化方法同時提高碳纖維本征抗張強度及其復(fù)合材料層間剪切強度的報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，該處理方法有效改善纖維的性能，不僅能夠提高碳纖維的拉伸強度與剪切強度，而且不會損傷碳纖維本體的抗張強度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，包括以下步驟：
1)在超聲波功率100W～1500W、超聲波頻率20kHz～100kHz、水浴溫度20℃～60℃的條件下，將碳纖維用稀硝酸溶液進(jìn)行浸泡處理6h～12h，然后用去離子水沖洗干凈；
2)將步驟1)沖洗干凈后的碳纖維在外加磁場中進(jìn)行陽極化處理，外加磁場的強度為2～15mT，以石墨板、不銹鋼板、銅板或鎳板作為陰極，用銨鹽類電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)氧化處理，處理溫度為0～50℃，控制施加電流密度0.2～8mA/cm2，處理15～200s，隨后水洗、干燥、上漿、收卷制得。
進(jìn)一步，所述稀硝酸溶液的濃度為10～15wt％。
進(jìn)一步，所述銨鹽類電解質(zhì)溶液為碳酸銨溶液、硝酸銨溶液或者草酸銨溶液。
進(jìn)一步，所述銨鹽類電解質(zhì)溶液的濃度為0.02～0.8mol/L。
進(jìn)一步，步驟2)施加電流密度為1～4mA/cm2。
進(jìn)一步，所述步驟2)電化學(xué)氧化處理時間為60～120s。
進(jìn)一步，碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維或瀝青基碳纖維。。
本發(fā)明的有益效果：
1、本發(fā)明超聲條件下用稀硝酸對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，活化了碳纖維表面的基團(tuán)，同時改善了碳纖維的浸潤性，提高了碳纖維與樹脂基體間的粘結(jié)性，使碳纖維與其他材料結(jié)合的界面性能得以改善。
2、電化學(xué)氧化處理時在外加磁性條件下，用銨鹽作為電解質(zhì)溶液，加快碳纖維表面處理速度，同時有利于提高碳纖維的拉伸強度與剪切強度。
具體實施方式
以下各例均使用含碳質(zhì)量比＞90％，抗張強度3.25Gpa，層間剪切強度為73.0Mpa的聚丙烯腈碳纖維為未改性碳纖維。但本發(fā)明不局限在此碳纖維。
比較實施例1
將碳纖維通過盛有30℃，0.5mol/l草酸銨水溶液的電化學(xué)處理槽，通過時間為100s，不施加電流，隨后在室溫下清洗，100℃干燥，上膠、收取制品。
實施例1
一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，包括以下步驟：
1)在超聲波功率100W、超聲波頻率20kHz、水浴溫度20℃的條件下，將碳纖維用10wt％稀硝酸溶液進(jìn)行浸泡處理6h，然后用去離子水沖洗干凈；
2)將步驟1)沖洗干凈后的碳纖維在外加磁場中進(jìn)行陽極化處理，外加磁場的強度為2mT，以銅板作為陰極，用0.02mol/L碳酸銨電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)氧化處理，處理溫度為0℃，控制施加電流密度0.2mA/cm2，處理150s，隨后水洗、干燥、上漿、收卷制得。
實施例2
一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，包括以下步驟：
1)在超聲波功率500W、超聲波頻率40kHz、水浴溫度30℃的條件下，將碳纖維用12wt％稀硝酸溶液進(jìn)行浸泡處理8h，然后用去離子水沖洗干凈；
2)將步驟1)沖洗干凈后的碳纖維在外加磁場中進(jìn)行陽極化處理，外加磁場的強度為6mT，以石墨板作為陰極，用0.4mol/L硝酸銨電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)氧化處理，處理溫度為20℃，控制施加電流密度3mA/cm2，處理30s，隨后水洗、干燥、上漿、收卷制得。
實施例3
一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，包括以下步驟：
1)在超聲波功率1000W、超聲波頻率60kHz、水浴溫度50℃的條件下，將碳纖維用14wt％稀硝酸溶液進(jìn)行浸泡處理10h，然后用去離子水沖洗干凈；
2)將步驟1)沖洗干凈后的碳纖維在外加磁場中進(jìn)行陽極化處理，外加磁場的強度為10mT，以鎳板作為陰極，用0.6mol/L草酸銨電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)氧化處理，處理溫度為40℃，控制施加電流密度6mA/cm2，處理60s，隨后水洗、干燥、上漿、收卷制得。
實施例4
一種碳纖維陽極氧化表面處理的方法，包括以下步驟：
1)在超聲波功率1500W、超聲波頻率100kHz、水浴溫度60℃的條件下，將碳纖維用15wt％稀硝酸溶液進(jìn)行浸泡處理12h，然后用去離子水沖洗干凈；
2)將步驟1)沖洗干凈后的碳纖維在外加磁場中進(jìn)行陽極化處理，外加磁場的強度為15mT，以石墨板作為陰極，用0.8mol/L草酸銨電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)氧化處理，處理溫度為50℃，控制施加電流密度8mA/cm2，處理100s，隨后水洗、干燥、上漿、收卷制得。
實施例5
將對實施例1、實施例1-5改性后的碳纖維根據(jù)GB3362-2005測試碳纖維本體抗拉強度，根據(jù)GB3357-82測試碳纖維及復(fù)合材料層間剪切強度，結(jié)果如下：
對比實施例1的拉伸強度為3.23GPa，層間剪切強度為74.8MPa；
實施例1的拉伸強度為4.36GPa，層間剪切強度為86.4MPa；
實施例2的拉伸強度為4.57GPa，層間剪切強度為87.2MPa；
實施例3的拉伸強度為4.75GPa，層間剪切強度為91.2MPa；
實施例4的拉伸強度為4.87GPa，層間剪切強度為92.4MPa。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。