碳纖維具有化學(xué)惰性，沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的碳纖維和碳纖維織物很難與其它樹(shù)脂構(gòu)成結(jié)構(gòu)完整的復(fù)合材料，碳纖維表面改性能夠在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)和納米增強(qiáng)顆粒，從而提高碳纖維的表面化學(xué)活性、表面可浸潤(rùn)性、表面粗糙度，改善樹(shù)脂基體與碳纖維的結(jié)合力，最終提高復(fù)合材料的界面性能。常見(jiàn)的表面改性方法有上漿劑法、納米微粒改性法、表面氧化法、等離子體處理法等。
等離子體處理法
等離子體是指正負(fù)電荷的數(shù)量或密度基本相等而形成宏觀電中性的物質(zhì)集合體，等離子體處理法即使用等離子體撞擊碳纖維表面，從而對(duì)碳纖維表面進(jìn)行刻蝕，使碳纖維表面的粗糙度和比表面積增加。此外，由于等離子體粒子一般具有幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特的能量，撞擊在碳纖維表面可能引發(fā)自由基反應(yīng)，從而可以在碳纖維表面引入化學(xué)活性基團(tuán)。
碳纖維表面氧等離子體處理是通過(guò)增加碳纖表面粗糙度和表面含氧官能團(tuán)，提高纖維與樹(shù)脂基體間的粘接強(qiáng)度，而復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于復(fù)合材料的界面粘接強(qiáng)度，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。
碳纖維經(jīng)氧等離子體處理后，由于等離子體處理過(guò)程中等離子氣體中的高能粒子等活性物質(zhì)接觸纖維表面，使碳纖維表面產(chǎn)生微小刻蝕導(dǎo)致表面面積增加，而處理前后碳纖維的表面密度基本保持不變，因此碳纖維的表面粗糙增加，表面粗糙度增加了纖維與樹(shù)脂之間相互貫穿，產(chǎn)生更多的機(jī)械嵌合作用，這些機(jī)械嵌合作用能夠使纖維與樹(shù)脂之間具有更高的粘接強(qiáng)度。相反地，過(guò)度的等離子體處理會(huì)使纖維表面整體變得平滑而使表面粗糙度減小，不利于纖維與樹(shù)脂的粘接，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能開(kāi)始降低。
等離子處理后碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加主要是因?yàn)樵诘入x子體處理過(guò)程中，氧等離子體中含有大量的含氧高能粒子，包括原子氧、分子氧、氧離子和過(guò)氧化自由基，這些高能含氧粒子沖擊碳纖維表面，并與碳纖維表面的官能團(tuán)發(fā)生一系列反應(yīng)，從而在碳纖維表面引入大量的含氧活性基團(tuán)，改善纖維的表面化學(xué)組成。碳纖維表面的活性含氧基團(tuán)數(shù)量增加，有利于提高碳纖維與樹(shù)脂基體間的化學(xué)鍵連接，改善復(fù)合材料的界面粘接性能，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。
另外，碳纖維表面活性基團(tuán)的增加使得碳纖維表面能增加，因而潤(rùn)濕性得到提高，增加復(fù)合材料的界面粘接性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。相反地，過(guò)度的等離子體處理會(huì)使纖維表面的含氧官能團(tuán)不再增加，且高速運(yùn)動(dòng)的離子將表面的含氧基團(tuán)沖擊掉，減少了提高碳纖維與樹(shù)脂基體間的化學(xué)鍵連接，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能開(kāi)始下降。24508