聚酰亞胺（PI）樹(shù)脂具備較好的機(jī)械強(qiáng)度、高耐磨性、熱穩(wěn)定性、高真空穩(wěn)定性、良好的抗輻射性和不錯(cuò)的耐溶劑性，是材料摩擦方向研究的重點(diǎn)對(duì)象之一。而碳纖維具有優(yōu)異的機(jī)械性能，同時(shí)輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)讓其成為工業(yè)制造領(lǐng)域備受關(guān)注的研究材料之一。將碳纖維與聚酰亞胺相結(jié)合，組合而成的熱塑性CF/PI復(fù)合材料繼承了兩者的多種性能優(yōu)勢(shì)。不過(guò)CF/PI復(fù)合材料的制備難度并不低，其中碳纖維表面化學(xué)惰性較強(qiáng)，而聚酰亞胺樹(shù)脂熔融后粘度較高，科學(xué)家們通過(guò)碳纖維表面處理，增加含氧官能團(tuán)的方式，進(jìn)一步提升纖維和樹(shù)脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度，從而提升CF/PI復(fù)合材料的性能上限。智上新材結(jié)合專業(yè)論文，介紹硅烷偶聯(lián)劑（SGS）處理后的碳纖維制備而成的CF/PI復(fù)合材料的拉伸性能變化。
　　
 
　　硅烷偶聯(lián)劑、空氣氧化處理碳纖維，并制備CF/PI復(fù)合材料
　　
　　1、硅烷偶聯(lián)劑處理碳纖維：配制不同濃度（0.1~0.5wt%）硅烷偶聯(lián)劑（SG-Si900），然后將碳纖維浸入到SGS溶劑中，持續(xù)10分鐘，拿出后在烘烤箱中保持120℃下干燥4小時(shí)。
　　
　　2、空氣氧化處理碳纖維：在氧化爐中對(duì)碳纖維進(jìn)行氧化處理，設(shè)備程序控制氧化過(guò)程，在450℃下等溫保持10秒，然后在氧化爐中將其冷卻至室溫。
　　
　　3、制備CF/PI復(fù)合材料：將未處理、硅烷偶聯(lián)劑處理和空氣氧化處理的碳纖維分別與聚酰亞胺（PI）樹(shù)脂組合，利用硫化機(jī)等設(shè)備制備成不同類別的CF/PI復(fù)合材料。
　　
　　4、拉伸實(shí)驗(yàn)：將CF/PI復(fù)合材料試樣切割成需要的尺寸，經(jīng)過(guò)埃里克森實(shí)驗(yàn)，記錄不同試樣拉伸強(qiáng)度和模量的數(shù)據(jù)，對(duì)比其中存在的性能差異。
　　
　　硅烷偶聯(lián)劑處理碳纖維，可提升熱塑性CF/PI拉伸性能
　　
 
　　1、不同硅烷偶聯(lián)劑濃度下CF/PI拉伸數(shù)據(jù)：拉伸強(qiáng)度數(shù)分別為114.5Pa（0.1wt%）、119MPa（0.2wt%）、124MPa（0.3wt%）、120MPa（0.4wt%）和117MPa（0.5wt%），拉伸模量分別為3.05GPa（0.1wt%）、3.12GPa（0.2wt%）、3.24GPa（0.3wt%）、3.17GPa（0.4wt%）和3.07GPa（0.5wt%）。拉伸強(qiáng)度和模量隨著硅烷偶聯(lián)劑（SGS）濃度提升而增加，在0.3wt%濃度時(shí)達(dá)到頂峰，隨后隨著濃度的提升而減少。
　　
　　分析認(rèn)為，認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑（SGS）通過(guò)化學(xué)鍵合吸附在碳纖維表面和聚酰亞胺（PI）基體上，在增強(qiáng)體和基體之間形成有效的鍵合。鍵合的主要成分是纖維表面官能團(tuán)與PI（如磺酸基（-SO2-）和羰基（C=O））形成的配位鍵。這些活性官能團(tuán)可以提高碳纖維與PI基體的界面粘附性，但過(guò)量的SGS可能會(huì)導(dǎo)致CF/PI的拉伸性能下降。另一方面，當(dāng)SGS太少而不能形成完整的單分子層時(shí)，在空隙中沒(méi)有有效的粘附作用，從而影響整個(gè)拉伸強(qiáng)度。
　　
 
　　2、硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)比空氣氧化處理和未處理數(shù)據(jù)：選擇0.3wt%濃度硅烷偶聯(lián)劑（SGS）處理碳纖維的CF/PI復(fù)合材料試樣，對(duì)比空氣氧化處理和未經(jīng)過(guò)處理的CF/PI復(fù)合材料試樣的拉伸數(shù)據(jù)。其中拉伸強(qiáng)度分別為124MPa（0.3wt% SGS）、111MPa（空氣氧化）和104MPa（未經(jīng)處理），拉伸模量分別為3.24GPa（0.3wt% SGS）、2.87GPa（空氣氧化）和2.76GPa（未經(jīng)處理）。對(duì)比未經(jīng)過(guò)處理的CF/PI實(shí)驗(yàn)，硅烷偶聯(lián)劑和空氣氧化處理的CF/PI試樣在拉伸數(shù)據(jù)上有明顯的提升，其中硅烷偶聯(lián)劑處理的試樣提升更為明顯。
　　
 
　　3、不同類別試樣拉伸斷裂表面電鏡掃描圖：上圖（a）為未經(jīng)過(guò)處理的CP/PI試樣，其中碳纖維表面光滑，纖維與樹(shù)脂存在較大空隙，界面粘附性較差；上圖（b）為空氣氧化處理的CF/PI試樣，其中碳纖維表面較為粗糙，是空氣氧化處理造成，纖維與基體中存在較小的空隙，空氣氧化處理方法主要增加碳纖維的表面官能團(tuán)和粗糙度，從而提高了界面的粘附能力，但會(huì)對(duì)碳纖維造成一定損傷；上圖（c）為硅烷偶聯(lián)劑處理的CF/PI試樣，斷裂表面較為平坦，碳纖維與基體一起斷裂，不留孔洞，說(shuō)明兩者結(jié)合較為緊密，證實(shí)界面粘結(jié)強(qiáng)度的大幅提升。
　　
 
　　研究證明，硅烷偶聯(lián)劑處理后的碳纖維與聚酰亞胺的界面粘結(jié)強(qiáng)度顯著提高，對(duì)比空氣氧化處理效果更為明顯，是提升熱塑性CF/PI復(fù)合材料拉伸性能的有效方式。未來(lái)該方式是否能夠大范圍應(yīng)用，在批量制備CF/PI復(fù)合材料中大放異彩還尚未可知，但科學(xué)需要想象，更需要實(shí)驗(yàn)，正是因?yàn)橛辛诉@些，熱塑性碳纖維復(fù)合材料才會(huì)從概念走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。