[发明专利]一种碳纤维改性方法及其产品

说明书

本发明涉及改性碳纤维技术领域，具体涉及一种碳纤维改性方法及其产品；通过将碳纤维经磁控溅射处理后惰性氛围下加热处理得到改性碳纤维；其中磁控溅射处理以碳纤维为基材，以碳为靶材，溅射条件：真空度2×10^‑3Pa，靶基距4cm，磁控溅射功率为150‑350W，磁控溅射压强0.5‑1.6Pa、磁控溅射时间为20‑60min，以高纯度氩气作为工作气，氩气流量为80ml/min；加热处理条件：升温速率5℃/min，热处理温度200‑600℃，热处理时间25‑40min；经本发明改性处理的碳纤维，拉伸断裂强力可增加4％‑12％，拉伸断裂功可增加15％‑40％，可有效改善碳纤维的机械性能。

技术领域

本发明涉及碳纤维改性技术领域，具体涉及一种碳纤维改性方法及其产品。

背景技术

碳纤维是一种无机碳材料的纤维结构，是由无机碳材料经碳化及石墨化处理后得到的一种微晶石墨材料，碳纤维制造过程中的碳化和石墨化等热处理工艺赋予碳纤维许多优良性能，高强高模量，导电导热性能良好，电磁屏蔽性好，耐疲劳性好，是新一代增强纤维；但是碳纤维本身是脆性材料，韧性差；加之在制备过程中会在纤维表面产生一些缺陷导致碳纤维在使用过程中机械性能受到影响，所以碳纤维极少单独作为结构材料使用，常作为增强材料与其它材料复合使用。如何改善碳纤维材料表面缺陷和提高碳纤维的机械性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维改性方法及其产品，通过对碳纤维进行磁控溅射+热处理改善碳纤维表面状态，提升碳纤维的机械性能。

本发明的技术方案之一，一种碳纤维改性方法，将碳纤维经磁控溅射处理后惰性氛围下加热处理得到改性碳纤维，或者将碳纤维在磁控溅射处理的同时进行热处理。

进一步地，所述磁控溅射处理以碳纤维为基材，以碳为靶材，溅射条件：真空度2×10^-3Pa，靶基距4cm，磁控溅射功率为150-350W，磁控溅射压强0.5-1.6Pa、磁控溅射时间为20-60min，以高纯度氩气作为工作气，氩气流量为80ml/min；

本发明作为靶材的碳要求含碳量在99.9％以上，可以保证与碳纤维同质。现有技术中采用磁控溅射镀膜在碳纤维表面，主要是为了增加碳纤维表面粗糙度，提高碳纤维与基体树脂的界面啮合性能；而本发明采用磁控溅射结合条件参数控制，利用溅射碳粒子与碳纤维同质的特点，对碳纤维表面缺陷进行修饰，同时结合热处理方式，使碳纤维表面碳粒子在低温热处理条件下成膜，完成对碳纤维表面的修复作用，同时利用膜层特性使碳纤维的强伸性能得到改善。

进一步地，磁控溅射过程中，基片台以30r/min的速度旋转。基片台旋转可以使镀膜更加均匀。

进一步地，所述高纯氩气纯度为99.999％。

进一步地，当所述碳纤维已经上浆时，在进行磁控溅射处理前经丙酮处理。

进一步地，丙酮处理工艺：将上浆碳纤维置于丙酮溶液中，70℃处理24h后用无水乙醇和去离子水交替清洗，再置于80℃条件下干燥24h冷却。

进一步地，所述加热处理条件包括：升温速率5℃/min，热处理温度200-600℃，热处理时间25-40min。

本发明利用热处理过程，使溅射到碳纤维表面上的碳粒子发生移动，形成新的碳晶体结构，且经热处理后，改性碳纤维表面碳膜横截面形态发生明显变化，由典型柱状结构转化为均匀的碳层结构。可完成对原碳纤维表面缺陷的改善作用。实验发现，600-1000℃热处理条件对碳纤维的拉伸强度提升不明显，当热处理温度超过1000℃后，由于高温导致碳膜结构损伤，改性碳纤维的拉伸强度下降明显。

进一步地，加热前抽真空处理然后通入惰性气体。

本发明的技术方案之二，上述碳纤维改性方法改性后得到的改性碳纤维。