文章編號: 1000-3851(2012)02 -0016-10

 

電化學表面處理對碳纖維結構及性能的影響

 

編輯：廣東弗艾博纖維技術研究有限公司

 

劉杰^*1，白艷霞¹，田宇黎¹，黃翔宇²，王春華¹，梁節英¹

 

（1.北京化工大學碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室，北京100029; 2. 上海石油化工股份有限公司，上海200540)

 

摘要:采用新型電化學 表面處理設備，以10%(質量分數)NH4HCO3溶液為電解質，對12K PAN基碳纖維進行連續化的表面處理，探索了在提高碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度的同時降低碳纖維本征拉伸強度損失的結構變化特征及規律。利用SEM、XRD、XPS、Raman等方法研究了改性前后碳纖維表面的物理和化學狀態、晶體尺寸和表面有序度。結果顯示，在適當的條件下，碳纖維/樹脂復合材料的層間剪切強度提高了23. 3%，同時碳纖維的拉伸強度僅損失了4. 4%。碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度的提高是碳纖維表面粗糙度和表面含氧、含氮官能團共同作用的結果。表面處理后碳纖維石墨網片層尺寸減小了6. 3%~27.6%，微晶尺寸相應減小;適度的氧化刻蝕使碳纖維表面有序度略有提高，并且產生新的活性點;以上兩種作用減小了碳纖維的本征拉伸強度的損失量。

 

關鍵詞: PAN 基碳纖維; 電化學氧化法;拉伸強度; 層間剪切強度;力學性能; 表面官能團

中圖分類號: TB332; TQ34         文獻標志碼: A

 

作為結構型復合材料，人們更關注的是其力學性能能否有效發揮。而制約碳纖維/樹脂復合材料宏觀力學性能的關鍵，就在于碳纖維與基體樹脂間形成的界面，它是復合材料極為重要的微結構，其結構與性能將直接影響復合材料的性能。研究表明，未經表面處理的碳纖維比表面積小，表面活性低，導致其與基體樹脂的結合性能差，最終影響了復合材料力學性能的發揮^[1]。而表面處理在對碳纖維進行表面刻蝕的同時可以在碳纖維表面引人大量的含氧和含氮官能團，這既提高了碳纖維的比表面積，又增加了碳纖維的表面活性，非常有利于碳纖維/樹脂復合材料性能的改善^[2]。據報道，對碳纖維進行表面處理的方法有很多種，如電化學法、等離子體法、氣/液相氧化法、涂層法等。其中電化學氧化方法[0]因其可連續生產、簡單易操作、處理條件溫和易于控制，在工業上得到了廣泛應用。但是，該方法存在以損傷碳纖維拉伸強度為代價來提高碳纖維表面性能的弊端。因此，如何在提高層間剪切強度(ILSS)的同時，降低碳纖維本征拉伸強度(σ_T)的損失，以最大限度地發揮碳纖維在復合材料中的作用，進而提高復合材料的性能是該領域研究的新目標。

前人的研究多集中在對1K、3K等小絲束碳纖維的處理過程及處理結果上^[4]，而隨著碳纖維工業的發展，大絲束碳纖維相對于小絲束碳纖維有著越來越廣闊的應用空間和發展前景，所以探索大絲束碳纖維的表面處理工藝參數及處理效果有著更為突出的意義?？偨Y前人的研究可知，電化學表面處理后碳纖維表面活性官能團的增加、表面粗糙度的提高及弱層去除的共同貢獻使層間剪切強度得到提高;而碳纖維拉伸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部無序結構在纖維本體上增加的薄弱點^[6-8]。

因此，本文中嘗試通過研究電化學改性中各項技術參數，探索合適的改性條件，控制碳纖維表面活性官能團含量、表面刻蝕程度與晶粒尺寸的變化，使碳纖維經過電化學改性后，復合材料層間剪切強度得到提高的同時，降低碳纖維拉伸強度的損失量;并通過Raman、XRD、SEM、XPS等手段解析碳纖維表面處理后層間剪切強度和拉伸強度變化的機制。

 

1實驗

1.1 原料

PAN基碳纖維:由英國Courtaulds 12K原絲生產的碳纖維;碳酸氫銨:分析純;環氧618樹脂:江蘇星辰化工有限公司樹脂廠生產;三乙烯四胺;分析純，北京化學試劑公司生產。

1.2電化學氧化處理

采用新型電化學表面處理設備，減少了傳動輥的用量，通過實現電解液的循環增加了電解槽的傳質效果。以0.5mol/L碳酸氫銨作為電解質溶液，電流密度為0. 15 mA/cm²，電解溫度30C，電解時間為90s、120s、150s,對碳纖維進行連續化電化學氧化處理;用循環蒸餾水清洗，除去纖維表面殘余的電解質;再經100 °C干燥上膠收絲。

1.3性能測試

1.3.1 碳纖維拉伸強度測試根據GB 3362-82,將丙酮、環氧樹脂、三乙烯四胺以質量比20 : 10 : 1配成基體樹脂溶液，將碳纖維浸泡于其中2~3 min,取出后纏繞于不銹鋼成型框架.上，并于120°C固化2h，制成長度為200 mm的測試樣條，并剔除具有明顯折彎點或懸掛有膠液珠的殘品樣條。測試前將樣條兩端分別固定在紙質夾片中;測試采用美國裝配的INSTRON-5567型萬能材料實驗機，加載速度為10 mm/min,夾頭間距為150mm;測試結果取10個有效數據的平均值;以上過程均符合GB 3362- 82標準。

1.3.2 層間剪切強度(ILSS)測試

采用GB3357-82記載的方法進行碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度測試。測試樣品選用環氧618型樹脂及三乙烯四胺固化體系。樹脂及固化劑配比為10:1,二者混合后充分攪拌，并快速均勻地涂于碳纖維的表面，上，盡量使得碳纖維與樹脂充分浸潤。將涂覆好樹脂的碳纖維放入模具中壓制成型，并于120 °C固化2 h,取出樣條后使用500 μm耐水砂紙打磨除去飛邊，按標準要求尺寸(跨厚比.5:1)制成CFRP測試樣條。測試儀器為INSTRON-5567型萬能材料實驗機，加載速度2 mm/min。每種試樣測試結果取10個有效數據的平均值。

1.3.3 性能表征及形貌觀察

使用Rigaku D/max2500 VB2+ /PC型多功能粉末多晶X射線衍射儀分析碳纖維改性前后晶體結構的變化。

使用英國Renishaw公司生產的RM2000型顯微共焦拉曼光譜儀進行表征，激光器波長為514.5nm(氬離子)，使用20倍物鏡，光斑直徑5 μm，掃描時間30s，累加次數10次。采用日本HitachiS-4700型發射掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌，樣品真空鍍金2~3 min。

采用英國VG公司生產的Therm VG ESCAL-AB250型X射線光電子能譜儀，分析碳纖維改性前后表面化學狀態的變化。射線源為MgK_a(1253. 6eV)，功率為250 W(12.5 kV X 20 mA)。

 

2結果與討論

碳纖維及碳纖維/樹脂復合材料力學性能測試結果見表1?？梢钥闯?，改性后碳纖維的拉伸強度均低于未改性碳纖維，但降低幅度均在10%以內，最小降低幅度僅為4.4%，較傳統碳纖維改性后損失15%左右的強度值要小，可見通過適當調控制備參數可以在大幅提高碳纖維復合材料層間剪切強度.的同時控制碳纖維拉伸強度降低幅度<5%。隨著改性時間的增加碳纖維的拉伸強度的損失量逐漸減小，強度值呈上升趨勢;碳纖維/樹脂復合材料的層間剪切強度均有顯著的增加，但當電解時間為120s時，層間剪切強度略有下降，在改性時間增加到150s時又有所回升。氧化時間的增加相當于在同等氧化水平下，氧化刻蝕程度的加深。在較短的改性時間下，電化學氧化刻蝕首先剝離碳纖維最外層的表面，這層表面主要包含一些弱層結構，隨著氧化刻蝕程度的加深，刻蝕進一步向內部深人，使得處于次外層的缺陷暴露成為表面缺陷，碳纖維的拉伸強度出現較大損失;當電解程度進一步增加時，暴露出的缺陷尖銳的部位在電化學改性的尖端效應下被鈍化，減少了應力集中，碳纖維的拉伸強度隨之略有回升。150s改性后碳纖維的拉伸強度仍高于120s改性，說明150 s改性時間仍在可以控制碳纖維拉伸強度的程度范圍內;也可以預計當電解時間更進一步增長后，碳纖維的拉伸強度必然會因為更多的缺陷被暴露以及氧化刻蝕產生的新的缺陷而導致更多的損失。由于工業改性的改性時間大部分在1.5~3. 0 min以內，并在可能的情況下盡可能縮短改性時間，因此，可以不考慮由于改性時間的增加帶來的更大的強度損失。此外，改性后碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度大幅度增加，這歸因于表面弱層被刻蝕剝離以及表面極性官能團的增加。表面含氧官能團理應隨著電解時間的增加而增加，層間剪切強度也應一直處于增加的趨勢，但在120s改性后復合材料的層間剪切強度反而處于一個低谷，這有可能是由于碳纖維表面形貌和含氮官能團發生變化所致。

2.1碳纖維表面的XRD分析

電化學表面處理會改變碳纖維表面晶態結構和表面形貌，進而改變碳纖維的表面物理狀態。由XRD研究T-0、T-90、T-120及T-150(T-90、T-120及T-150的電解停留時間分別為.90s、120s和150s,其拉伸強度與未改性碳纖維T-0相比降幅分別為9. 0%、4. 9%和4.4%，層間剪切強度增幅分別為23. 2%、17. 7%和23.2%)的晶粒尺寸的變化。碳纖維表面石墨網層平面尺寸L。及層面堆積厚度L?？砂凑誗cherrer公式分別由(100)晶面、(002)晶面衍射數據計算:

式中，k為形狀因子，一般取0.89^[9]。計算結果列人表2?？梢?，碳纖維經過電化學氧化處理后，T-90微晶的厚度L_c和寬度L_a均減小。微晶尺寸減小可以減緩微晶因各向異性在晶界處產生的殘余應力，減少應力集中點，使裂紋在穿越晶界擴張時消耗更多能量，阻止裂紋的擴展，從而在碳纖維表面受到氧化刻蝕的同時限制碳纖維拉伸強度的損失量。此外，表面微晶尺寸的減小，使得晶界增多，處于碳纖維表面棱角和邊緣位置的活性碳原子數也，就越多，這有利于提高纖維與樹脂的粘結性，提高碳纖維復合材料的層間剪切強度。由表1和表2中數據可見，T-90及T-120的La值均小于T-0的，纖維在受氧化刻蝕的同時，本征拉伸強度的損失量均<10%，這與前人的研究相符^[8.10-11]。但前人研究中也指出^[10]:細晶化作用不能提高拉伸強度的原因是電化學改性會使碳纖維外層有序晶體層剝落，露出內部無序結構，引發新的缺陷。而且，T-150樣品的拉伸強度損失量最小，但是其所對應的L_a值卻最大。為此，對各實驗樣品的表面晶態結構進行拉曼光譜分析，分析其表面有序度的變化。

 

 

 

2.2碳纖維表面的Raman分析

圖1為碳纖維的--級拉曼光譜，譜內明顯存在兩個峰: D峰和G峰。其中在約1350cm^-1的D峰表示碳纖維結構中的無序結構，峰的強度與石墨晶格缺陷、邊緣無序排列和低對稱性的結構程度有關; G峰出現在1600 cm^-1左右，該譜線是天然石墨所固有的，屬于石墨晶格面內C-C鍵的伸縮振動。隨著碳結構有序程度和石墨化程度的增高，D峰的強度逐漸減小，G峰的強度逐漸增大。因此，碳結構的有序度通常用代表無序結構的D峰與石墨結構的G峰的積分強度比值R(I_D/I_G)來進行表征^[12-13]。

 

 

表3分別給出了各個樣品按Gaussian曲線擬.合后的光譜參數。結合圖1可以看出，改性后R值由T-0的2.02減小到T-90的1.91,再增加到T-120的2.01，而后又減小到T-150的1.90。這反映出碳纖維表面結構有序度隨著電化學反應的加深，呈現先增大再減小，又增大的變化趨勢。電化學改性后碳纖維表面有序度變化的差異源自氧化刻蝕程度的不同。表面處理中，氧化刻蝕作用在細晶化的同時率先去除碳纖維表面薄弱層、依附于表層的微小石墨片層和微晶與微晶之間的無定形結構，提高纖維表面的有序度。碳纖維邊緣結構有序度以及晶體完整度的增加減少了缺陷存在的可能，有效地維持了纖維的拉伸強度^[14-15]。與此同時，表面薄弱層及無定形結構的剝離，減少了碳纖維表面與樹脂基體間的薄弱環節，有利于提高纖維與樹脂的粘結性，提高碳纖維復合材料的力學性能。隨后，由于內部無序結構的暴露，使得纖維表面的有序度減小。而T-150處纖維表面的有序度增加，可以理解為由于一些新生的無序結構被進一步的氧化刻蝕剝離所致，使纖維的拉伸強度和復合材料的層間剪切強度同時得以提高。

2.3 碳纖維表面的SEM分析

圖2為碳纖維電化學氧化前后的表面SEM形貌。由低放大倍數的掃描電鏡照片可以看出，碳纖

 

 

維表面呈現出許多窄且深淺不一的沿纖維軸向平行排列的溝槽，這是PAN基碳纖維生產過程中由其濕法紡絲原絲本身的帶狀微纖遺留下來的。比較表面處理前后的SEM照片，可以看出電化學改性對碳纖維表面宏觀形貌的刻蝕效果并非完全像前人研究所述的表面溝槽會加寬加深。相反，由于溝槽或長棱的頂部會在電化學反應中匯集更多的電荷，產生電荷集中，率先成為電化學反應的主要場所，氧化刻蝕作用也率先在這些部位發生。因而，這些宏觀的溝槽和長棱整體呈現的是變淺和均勻化的趨勢，只有在改性程度進一-步加深后，這些溝槽和長棱才有可能因過度刻蝕而加寬加深。當加寬和加深的現象僅出現在局部區域時，會產生新的裂紋和缺陷，導致碳纖維拉伸強度損失。

由高放大倍數的掃描電鏡照片可以看出，未改性碳纖維表面的溝槽呈顆粒狀，具有類似龜裂的特征，經過電化學改性后，表面的顆粒變小或消失，微觀表面趨向細膩光滑。而且這種表面結構的尺寸均在100 nm以下，在沿碳纖維軸向方向具有一定長度的連續性，并在未改性碳纖維上比較明顯。該結構可能是碳化后表面沉積碳以表面微晶為基底沉積而成的，是一種表面弱層的組織形式;也有可能是表面微晶直接裸露形成。改性后，這種結構的尺寸明顯減小，說明氧化刻蝕作用不僅剝離了碳纖維的表面弱層，同樣對碳纖維表面晶體結構也有影響。

圖3為碳纖維/樹脂復合材料T-0及T-90樣品的斷面形貌。發現，未經表面處理的碳纖維復合材料斷面凹凸不平，斷面有大量纖維被拔出，出現較多的孔洞，說明纖維與樹脂間的粘結性較差，導致其層間剪切強度低。表面處理后的碳纖維樹脂基復合材料斷面較為平整，基本在一個平面內;沒有明顯的單根纖維，孔洞較少，纖維與基體間沒有縫隙，結合緊密，進一步說明陽極氧化提高了CFRP層間剪切強度。

由以上分析可見，碳纖維經過適度表面處理后其表面粗糙度降低，但其與樹脂基體之間的粘結性卻提高。在機械錨和作用降低的情況下，纖維與樹脂基體之間的結合性依然得到提高，究其原因，應該是電化學氧化作用下,纖維表面化學活性得到提高，增強了纖維與樹脂基體之間的化學鍵合作用，進而增強了纖維與樹脂基體之間的粘合作用。

2.4碳纖維表面的XPS分析

圖4為電化學氧化處理前后碳纖維的全譜掃描，發現經過氧化處理后的碳纖維表面的Cis峰強度明顯降低，Os峰、Ns峰有所增強。表4為電化學氧化后碳纖維表面各元素含量的變化，可以看出，隨著氧化時間的增加，碳纖維表面含氧量呈現上升趨勢;碳纖維表面含氮量也明顯高于未改性碳纖維。隨著反應程度的繼續加深，氮元素含量有所波動，這是由于碳纖維表面層被刻蝕，導致含氮官能團隨之被刻蝕剝離。此外，改性后的碳纖維表面均出現了硅元素，這可能是由于PAN原絲表面的含硅油劑滲人纖維內部，在碳化過程中被保留下來，在表面處理過程中隨著碳纖維表面層的刻蝕剝離而露出表面產生。這種硅元素有可能在碳纖維內部聚集，阻礙石墨微晶在碳化過程中的成長，從而造成缺陷，當這些缺陷被暴露于碳纖維表面時，碳纖維的拉伸強度降低。結合碳纖維層間剪切強度，分析O/C和N/C發現，相比較氧元素的含量，氮元素含量與碳纖維復合材料的層間剪切強度關系更緊密，ILSS在T-90、T-120、和T-150的變化趨勢與氮含量的變化相似。

將C_1s峰經XPEPEAK4.1進行分峰，計算碳纖維表面實際含氧官能團比例如表5所示?？梢?，電化學氧化后碳纖維表面羥基含量呈上升趨勢，這是由于在電化學氧化的作用下，碳纖維表面活性碳原子吸附了堿性溶液中的OHT，并進一步反應生成C-OH,反應式如下:

隨著改性時間的變化，碳纖維中的羰基含量也逐漸增加，羰基可能是碳纖維表面邊緣碳原子被電解出的活性氧直接氧化生成，但主要來源于C-OH的氧化，如下式:

碳纖維表面的羧基隨著改性時間的增加呈現先增后減的趨勢，由于未改性碳纖維表面本身所含的羧基很少，羧基含量的變化主要是電化學反應所致。在電化學處理時，陽極碳纖維上發生了如下反應^[16]。

在氧化初期式(1)~式(3)反應占主導地位，同時式(4)的反應也在進行?？梢婋S著氧化程度的加深，碳纖維表面的不飽和碳原子先后被氧化成羥基、羰基和羧基，而其表面原有的含氧官能團繼續氧化。羧基在這類劇烈的放熱反應中不穩定，極易釋放出CO₂，因此，隨著反應的進行，式(4)成為主導反應^[7]。每個羧基被氧化的位置會生成一個易被氧化的活性碳原子，這些活性碳原子隨后被氧化成羥基和羰基，所以在T-150處碳纖維表面羥基和羰基的含量均很高，而羧基的含量降低。

由于羧基可以與環氧樹脂基體發生化學反應，生成化學鍵合，有利于提高碳纖維復合材料的層間剪切強度。因此，在不損害碳纖維表面結構的情況下，羧基的含量與碳纖維復合材料的層間剪切強度有著直接的關聯。然而在此試驗中，碳纖維復合材料的層間剪切強度并未隨羧基的增加而增加，也未隨羧基含量的減少而減少。這說明碳纖維表面化學狀態與其表面性能仍存在復雜的關系，是由多方因素(如:含氧官能團、含氮官能團、活性碳原子數量、晶體結構等)共同作用決定的。在150s處，雖然羧基含量與未改性纖維相近，但有別于未改性纖維的是其表面化學狀態也隨電化學改性發生了變化，首先羧基被氧化成CO₂所遺留下的活性碳原子同樣增加為碳纖維表面的化學活性點，其次，羥基和羰基含量的大幅度增加、含氮官能團的增加都為碳纖維與樹脂基結構提供了化學鍵合的可能。但也需要注意的是，有研究認為^[17]碳纖維進行表面改性時，羧基含量應盡量少。因為羧基在產生過程中，為使兩個氧原子與碳原子鍵合，碳纖維表面石墨微晶的六元環必須斷裂，破壞了石墨微晶的邊緣部分，導致與羧基相連的炭層變脆。這樣即使羧基與樹脂粘結的很牢固，但易碎的炭層會分層，結果反而使CFRP的ILSS下降。這一.理論與120s改性時的效果正好吻合，因此，改性后羧基含量并非是越多越好，而是應控制在一個合適的范圍內。

綜上，碳纖維經表面處理后，碳纖維表面含氧官能團數目增多，其表面極性提高，利于極性環氧樹脂對碳纖維表面的吸附和潤濕，這樣兩者在界面上實現了分子接觸;同時大分子通過內旋轉運動，建立最合適的構象，達到吸附平衡，并通過吸附作用進行跨越界面的擴散，形成跨越界面的次價力或化學主價力的粘合鍵^[18]。

在碳酸氫銨溶液中改性很容易在碳纖維表面生成含氮官能團，使碳纖維表面含氮量增加。這是因為，碳酸氫銨中的氨分子被碳纖維表面不飽和碳原子吸附，然后在電化學條件下生成氨基和亞氨基^[19]，反應歷程如下:

 

其中，在陽極發生電化學反應的氨分子主要來源于碳酸氫銨在水溶液中的水解以及銨根離子在陰極的還原。

圖5為碳纖維表面NIs譜圖?？梢钥闯?，碳纖維表面含有三類N官能團。一類在398.5eV附近的一N=，一類在400 eV附近的NH2(-NH)，另一類是401. 5eV附近的氧化的氮，可能為一ONH4基團^[8]。電化學改性后一N=官能團所占比重明顯增加，說明碳纖維表面的確發生了氨基和亞氨基的生成反應。隨著反應的進行，溶液中的氨分子不斷地在碳纖維表面發生反應，生成含氨官能團，從而使銨根離子不斷地在陰極還原，溶液中的銨根離子濃度不斷下降。

 

從電化學氧化后的各元素含量的變化來看(表4所示)，碳纖維表面的氮元素含量的增加相當顯著，但隨著改性時間的增加氮的含量略有所下降。這也說明了電化學氧化過程中存在著兩種作用，即氧化作用和刻蝕作用。氮元素在纖維表面先增加后又降低，正是刻蝕和氧化共同作用的結果。此外，若氮以吡啶結構的形式存在于碳中，當發生劇烈的氧化作用時，也有可能轉化為含氧官能團，從而使氮含量降低，如下:

總之，XPS分析表明，碳纖維經電化學氧化處理后，表面引入了大量的含氧官能團和含氮官能團。由于這些官能團的增加，提高了碳纖維與環氧樹脂的浸潤性和反應性，有利于改善碳纖維/樹脂復合材料的力學性能。

2.5 層進式物化雙效模型

根據實驗結果綜合分析發現:電化學氧化處理對碳纖維本體同時具有物理作用(細晶化作用和氧化刻蝕作用)和化學作用(表面氧化作用)。初步推測電化學氧化法對碳纖維表面改性作用的時效性模型命名為“層進式物化雙效"模型，認為在電化學改性中碳纖維外層的石墨微晶平面層在氧化的過程中被逐層刻蝕。根據該模型，實驗中不同改性時間下的樣品其層間剪切強度和拉伸強度變化過程可分為三個階段(圖6)。第一階段:氧化反應首先發生在最表層的微小片層邊界、亂層區域和無定形區域。使碳纖維表面含氧、含氮官能團增加，提高了碳纖維復合材料層間剪切強度;與此同時，刻蝕作用和細晶化作用使得碳纖維表面有序度增加、晶體尺寸減小，從而在纖維受到氧化刻蝕的同時較好的維持纖維的拉伸強度，該階段末期時拉伸強度與層間剪切強度均達到理想狀態。

隨著電解停留時間的增加，表面處理進入第二階段:由于進一步的氧化刻蝕碳纖維表面的微小片層和無定形區域大部分被剝離，表面缺陷減少，結合細晶化效應，拉伸強度有所提高;但由于氧化活性點被刻蝕，表面含氮官能團含量大幅降低，碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度有明顯回落。隨氧化刻蝕程度的進一步加深，表面處理進入第三階段:此時，碳纖維表面的片層因深度刻蝕被破壞，再次出現微小片層，產生了新的氧化活性點，碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度有所回升;新薄弱點邊緣的尖銳部分在表面處理.作用下被鈍化，有利于拉伸強度的提高，但由于過度的氧化刻蝕，拉伸強度并不會有較大回升。

 

3結論

(1)電化學表面處理對碳纖維具有細晶化作用和氧化刻蝕作用。細晶化作用有利于層間剪切強度和拉伸強度的提高。而適度的氧化刻蝕作用不僅可以除去碳纖維表面薄弱層、微小石墨片層和微晶與微晶之間的無定形結構，減少碳纖維表面與樹脂基體間的薄弱環節，有利于提高碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度;而且可以增加碳纖維邊緣結構有序度，有效發揮細晶化作用對拉伸強度的影響，降低碳纖維本征拉伸強度的損失。

(2)碳纖維經電化學氧化改性后，表面含碳量降低10%~12%，氧含量提高75%~86%，氮含量提高0.5~2倍。改性后碳纖維表面羥基和羰基明顯增加，羧基在短時間改性時含量呈增加狀態，而隨著羧基被進一步氧化為CO2,其含量明顯下降。含氧、含氮官能團的增加使得復合材料的層間剪切強度增加，但同時發現，當羧基含量下降時也并不影響復合材料的層間剪切性能。碳纖維/樹脂復合材料的層間剪切性能是由多方面因素如:表面形貌、含氧官能團、含氮官能團、活性碳原子數量、晶體結構等共同作用決定的，這些因素之間也會有互補作用。

(3)在適當的處理條件下，隨著反應程度加深，碳纖維拉伸強度呈現逐漸上升的趨勢，復合材料層間剪切強度呈現先下降再上升的變化趨勢，表面電化學氧化處理作用為逐層氧化刻蝕與官能團變化的復合作用過程。適度控制碳纖維結構變化，可以在提高層間剪切強度的同時降低拉伸強度的損失量。

 

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