目前已有实验证明,当碳纤维处于温度超过400℃的含氧环境中时就会开始被氧化,并且随着外界环境温度的升高,碳纤维氧化速率逐渐增大,造成碳纤维质量损耗,使材料性能降低甚至失效。为了克服这一点主要可采取的措施有碳纤维基体改性和表面涂层改性两种,下面便来了解一下相关的工艺技术。
一、碳纤维基体改性
碳纤维基体改性的基本原理就是向材料基体内加入氧化抑制剂,常见工艺有气相渗透法、浸渍改性法和固体颗粒掺杂复合法等。这些氧化抑制剂在高温条件下能够形成玻璃相,其良好的流动性能够填充材料基体内部的孔隙,减少材料与氧气的接触面积,提高碳纤维的高温抗氧化性。常用的氧化抑制剂有硼化物(如B2O、BN、B4C3等)和硅化物(如SiO2、SiC、Si3N4等)。
基体改性法中,添加剂的使用会不同程度地改变原材料的成分,影响碳纤维本身优异性能的发挥。同时该方法不能够完全地将碳纤维与外界氧隔离开来,高温抗氧化性能的提高程度有限,使用温度一般在 1000℃以下。
二、碳纤维表面涂层改性
碳纤维表面涂层改性就是在碳纤维表面制备出涂层,依靠涂层材料的高温稳定性和抗氧化性,阻碍纤维表面与外界含氧气氛的直接接触,从而达到提高碳纤维高温抗氧化性的目的。与基体改性法相比,涂层法能够不以牺牲碳纤维自身的优异性能为代价,实现对碳纤维的高温抗氧化保护。
但不是什么材料都能够作为高温抗氧化涂层使用,它至少应该满足以下几点要求:①不与碳纤维发生化学反应;②与碳纤维之间有良好的物理相容性;③与碳纤维之间有良好的化学相容性;④具有高的熔点和低的饱和蒸汽压;⑤具备较低的氧气渗透率,同时不能对氧化反应有催化效应;⑥致密性尽可能高,具备高温自愈合能力,即能够高温下形成流动的玻璃相,进一步填充基体表面及内部的裂纹、孔隙等缺陷,提高碳纤维的高温抗氧化性。
目前用于碳纤维的表面涂层种类有很多,主要分为玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层和复合涂层等。