稀土处理对碳纤维增强聚四氟乙烯 复合材料拉伸性能的影响

稀土处理对碳纤维增强聚四氟乙烯
复合材料拉伸性能的影响
包丹丹， 程先华
(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)
摘要：采用空气氧化、空气氧化后稀土改性和稀土改性对碳纤维表面进行处理，并研究了3种表
面处理对碳纤维增强聚四氟乙烯(CF／PTFE)复合材料拉仲性能的影响．探讨了稀土含量对于复合
材料拉伸性能的影响，并运用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料拉仲试件的断口进行分析．结果
表明：稀土处理能够有效地提高碳纤维与聚四氟乙烯基体的界面结合力，从而提高CF／PTFE复合
材料的拉仲性能．当稀土元素在表面改性剂中的质量分数为0．3 时，CF／PTFE复合材料的拉伸
性能最佳．

Carbon Fiber Reinforced POIytetrafIuOrOethyIene Composites
BAO Dan—dan。
(School of M echanical Eng．，Shanghai
CHENG X ian—hua
Jiaotong Univ．，Shanghai 200030，China)
Abstract：The surfaces of carbon fibers (CF) were treated with air—oxidation，rare earths (RE)after air—
oxidation，and rare earths，respectively．The effects of these methods on the tensile properties of carbon
fiber reinforced po1ytetraf1uoroethy1ene(CF／PTFE) composites were investigated． The effects of rare
earth modifier concentration on tensile properties of CF／PTFE composites were discussed，and the fracture
surfaces of tensile specimens were analyzed by employing SEM ． The results show that rare earth modifier
is efficient in prom oting interfacia1 adhesion between carbon fiber and PTFE matrix，therefore the tensile
properties of composites can be promoted obviously．The best tensile properties of the CF／PTFE compos—
ites is obtained when the content of rare earth elements is 0．3 ．
Key words： rare earth； carbon fiber； po1ytetraf1uoroethy1ene (PTFE) composites； surface treatm ent；
tensile properties
聚四氟乙烯(PTFE)以极低的摩擦系数、优异
的热稳定性和耐腐蚀性著称，是一种理想的自润滑
材料．但其同时存在机械性能差、线膨胀系数大、导
热性差及磨损量大的缺点，因而不适宜单独作耐磨
材料使用．碳纤维(CF)具有高硬度、优异的导电性
和导热性、极佳的抗疲劳和抗蠕变性能，因此被广泛
收稿日期：2005—07—25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50275093)．
作者简介：包丹丹(1981一)，女，江苏靖江人，硕士生，主要研究方向为聚合物复合材料摩擦学及力学性能等．
程先华(联系人)，男，教授，博士生导师，电话(Te1．)：021—62932404；E—mail：xhcheng@sjtu．edu．cn-
第6期 包丹丹，等：稀土处理对碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料拉伸性能的影响 915
用于复合材料增强项¨】]．
纤维增强复合材料的性能由纤维和基体材料的
性能决定，同时纤维与基体之间的界面结合力是决
定纤维增强聚合物复合材料力学性能的重要因素，
并主要受纤维表面处理的影响r2 ]．未经处理碳纤
维表面呈惰性，与基体之间界面结合力较差，所以其
填充复合材料的力学性能较差．常规氧化法、沉积法
等对碳纤维进行表面处理在一定程度上改善了复合
材料界面结合力，提高了其使用价值，但仍达不到理
想的效果．
文献[5～7]中研究表明，稀土处理玻璃纤维填
充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能及拉伸性能均
明显优于常规偶联剂处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯
复合材料，稀土表面改性显著增强玻璃纤维与聚四
氟乙烯之间的界面结合力．本文采用稀土对碳纤维
进行表面处理，通过拉伸性能测试和SEM 分析，探
讨了其对碳纤维增强聚四氟乙烯(CF／PTFE)复合
材料拉伸性能的影响．
1 实验部分
1．1 实验材料
实验采用上海碳素厂生产的PAN 基碳纤维
(长度75,um，200目)．复合材料基体是上海氯碱化
工总厂生产的SM02卜F型PTFE树脂(粒度30
,um，密度约为2．2 g／cm。)．稀土表面处理剂由实验
室自行配制．
1．2 试样制备
首先，采用空气氧化、空气氧化后稀土处理以及
稀土处理3种方法对碳纤维进行表面处理．空气氧
化法是将碳纤维放人箱式炉中在450。C下保温40
rain，随炉冷却后取出，此时CF的失重率可控制在
7 以内．稀土处理是常温下将碳纤维放人自制的稀
土改性剂中浸润3 h，然后在80。C中2 h烘干，改
性剂中稀土质量分数变化为0．1 ～0．6％．
将3种经过处理及未经处理的碳纤维分别与
PTFE树脂在玻璃容器中混合并充分搅拌使其均匀
分散。然后装入专用模具，室温下加压成型，成型压
力为75～85 MPa，保压3～5 min．成型物取出后在
烧结炉中烧结。升温、降温速度为30～6O0。C／h。并慢
慢冷却至室温得到4种PTFE复合材料试样．试样呈
哑铃形，平行段尺寸为30 mm×5．10 mm×9．72 mm．
CF／PTFE复合材料中碳纤维的质量分数为20 ．
实验用4种复合材料标记如下：A表示未经处
理碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料；B表示经空气
氧化处理碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料；C表示
空气氧化后稀土处理碳纤维填充聚四氟乙烯复合材
料；D表示经稀土处理碳纤维填充聚四氟乙烯复合
材料．
1．3 拉伸性能测试
CF／PTFE 复合材料拉伸性能测试按照
GB1039—79标准，在Instron5882电子万能材料试验
机上进行，同时配备满量程为5 kN 的载荷传感器．
试验的加载速率为50 mm／min，测定每种试样的拉
伸强度和延伸率，每个数值为5个样品的平均值．试
件断口经喷金处理后，采用德国oPT0N 公司
CSM950型扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌分
析．
2 结果与讨论
2．1 拉伸性能
用不同含量的稀土改性剂处理碳纤维，通过复
合材料的拉伸性能测试来考察稀土含量对复合材料
拉伸性能的影响，从而确定稀土元素的最佳含量．图
1所示为稀土含量与复合材料D的断裂拉伸强度和
伸长率之间的关系．由图可见，稀土元素在表面处理
剂中的含量变化为0．1 ～0．6 9／6．开始时复合材料
D的断裂拉伸强度和伸长率随着稀土含量的增大而
增大，直到0．3 左右复合材料的拉伸强度和伸长率
达到最大值，随后其拉伸性能随着稀土含量的增大
而逐渐下降．这说明稀土含量对复合材料的拉伸强
度和伸长率有影响，并且当稀土的质量分数在0．3
左右时，复合材料的拉伸性能最好．
图1 稀土含量与复合材料D拉伸性能的关系
Fig．1 The relationship between tensile properties of
composites D and RE concentration
根据化学键理论和物理吸附理论 ，通过化学
键合与物理吸附稀土元素被吸附到碳纤维表面并在
靠近纤维表面产生畸变区．这些吸附在碳纤维表面
上的稀土元素改善了碳纤维与PTFE的界面结合
力．但是，由于过多的稀土元素存在使纤维表面形成
上 海 交 通 大 学 学 报 第4O卷
过厚的含稀土界面，故减弱了界面结合力并导致
CF／PTFE复合材料拉伸性能降低．
图2所示为稀土含量与复合材料C的断裂拉
伸强度和伸长率之间的关系．由图可见，稀土元素在
表面处理剂中的质量分数变化为0．1 ～0．6 ．复
合材料c的拉伸性能随稀土含量变化总的趋势与
复合材料D相似，开始时其拉伸性能随稀土含量增
大而增大，直到0．3 左右达到最大值，随后其拉伸
性能随稀土含量的增大而逐渐下降．但是，同样的稀
土含量时，复合材料c的断裂拉伸强度和伸长率均
比复合材料D的略低．
图2 稀土含量与复合材料C拉伸性能的关系
Fig．2 The relationship between tensile properties of
composites C and RE concentration
根据上述试验确定的最佳稀土元素质量分数为
0．3 ，后续实验均采用该稀土含量进行稀土处理碳
纤维．比较稀土处理、空气氧化和空气氧化后稀土处
理3种方法对CF／PTFE复合材料拉伸性能的影响
结果如图3所示．
褂
霞
罂
图3 表面处理对CF／PTFE复合材料拉伸性能的改进作用
Fig．3 The improvem ent of surface treatment on tensile
properties of CF／PTFE composites
由图3可见，经表面处理的CF／PTFE复合材
料的拉伸性能均优于未经表面处理的CF／PTFE复
合材料．空气氧化后再稀土处理比空气氧化处理更
能有效提高CF／PTFE复合材料的拉伸性能；而稀
土处理是最有效的，其拉伸强度和伸长率分别比未
经处理的复合材料提高了23 和80 ．
2．2 SEM 分析
图4所示为用不同含量稀土处理的CF／PTFE
复合材料拉伸断口的SEM 照片．由图可见，碳纤维
与PTFE复合材料基体之间的结合情况随着稀土
含量的变化而变化．盘绕在碳纤维表面上的PTFE
树脂的量随着稀土含量的增加而增加(见图4(a)、
(b)、(c))．当稀土的质量分数超过0．3 时，盘绕在
碳纤维表面的PTFE树脂逐渐减少，拉伸断口表面
开始出现被拔出的碳纤维及纤维拔脱后形成的空洞
(见图4(d)、(e)、(f))．由图可见，过高的稀土含量导
致碳纤维与PTFE基体之间的结合力变差，碳纤维
与PTFE基体之间的界面结合力取决于稀土含量，
并且在稀土的质量分数为0．3 时达到最大值．
图4 不同含量稀土处理CF／PTFE 复合
材料拉伸断口SEM 照片
Fig．4 The SEM micrographs of the fracture surface of
CF／PTFE composites VS RE concentration
图5所示为不同表面处理的CF／PTFE复合材
料拉伸断口的SEM 显微照片．稀土元素在表面改
性剂中的质量分数均为0．3 ．由图可见，未经处理
CF和PTFE基体之间的粘结性能较差，断口表面
可以看见纤维拔脱后形成的空洞，被拔出的碳纤维
表面光滑，上面没有PTFE基体的粘附．由于碳纤