В днешната ера на бърз технологичен напредък, композитите от въглеродни влакна си създават име в широк спектър от области благодарение на превъзходното си представяне. От приложения от висок клас в космическото пространство до ежедневните нужди от спортни стоки, композитите от въглеродни влакна показват голям потенциал. Въпреки това, за да се подготвят високоефективни композити от въглеродни влакна, активираща обработка навъглеродни влакнае решаваща стъпка.
Снимка от електронен микроскоп на повърхността на въглеродни влакна
Въглеродните влакна, влакнест материал с висока производителност, имат много завладяващи свойства. Състои се главно от въглерод и има удължена нишковидна структура. От гледна точка на повърхностната структура, повърхността на въглеродните влакна е относително гладка и има по-малко активни функционални групи. Това се дължи на факта, че по време на подготовката на въглеродни влакна, високотемпературната карбонизация и други обработки правят повърхността на въглеродните влакна в по-инертно състояние. Това свойство на повърхността носи редица предизвикателства пред подготовката на композити от въглеродни влакна.
Гладката повърхност прави връзката между въглеродните влакна и матричния материал слаба. При получаването на композити е трудно за матричния материал да образува силна връзка на повърхността навъглеродни влакна, което се отразява на цялостната работа на композитния материал. Второ, липсата на активни функционални групи ограничава химическата реакция между въглеродните влакна и матричните материали. Това прави междуфазовото свързване между двете да разчита главно на физически ефекти, като механично вграждане и т.н., което често не е достатъчно стабилно и е склонно към разделяне, когато е подложено на външни сили.
Схематична диаграма на междинно подсилване на плат от въглеродни влакна чрез въглеродни нанотръби
За да се решат тези проблеми, е необходима активираща обработка на въглеродните влакна. Активиранвъглеродни влакнапоказват значителни промени в няколко аспекта.
Активиращата обработка увеличава грапавостта на повърхността на въглеродните влакна. Чрез химическо окисляване, плазмено третиране и други методи, малки ямички и бразди могат да бъдат гравирани в повърхността на въглеродните влакна, което прави повърхността грапава. Тази грапава повърхност увеличава контактната площ между въглеродните влакна и материала на субстрата, което подобрява механичната връзка между двете. Когато материалът на матрицата е свързан с въглеродните влакна, той е по-способен да се вгради в тези груби структури, образувайки по-здрава връзка.
Активиращата обработка може да въведе изобилие от реактивни функционални групи на повърхността на въглеродните влакна. Тези функционални групи могат да реагират химически със съответните функционални групи в материала на матрицата, за да образуват химически връзки. Например, окислителната обработка може да въведе хидроксилни групи, карбоксилни групи и други функционални групи на повърхността на въглеродните влакна, които могат да реагират сепоксидна смолагрупи в матрицата на смолата и така нататък, за да образуват ковалентни връзки. Силата на това химическо свързване е много по-висока от тази на физическото свързване, което значително подобрява силата на междинно свързване между въглеродните влакна и матричния материал.
Повърхностната енергия на влакната от активен въглен също се увеличава значително. Увеличаването на повърхностната енергия улеснява намокрянето на въглеродните влакна от материала на матрицата, като по този начин улеснява разпространението и проникването на материала на матрицата върху повърхността на въглеродните влакна. В процеса на приготвяне на композити, матричният материал може да бъде по-равномерно разпределен около въглеродните влакна, за да образува по-плътна структура. Това не само подобрява механичните свойства на композитния материал, но също така подобрява другите му свойства, като устойчивост на корозия и термична стабилност.
Активираните въглеродни влакна имат множество предимства за получаването на композити от въглеродни влакна.
По отношение на механичните свойства, междуфазната якост на свързване между активиранитевъглеродни влакнаи материалът на матрицата е значително подобрен, което позволява на композитите да пренасят по-добре напреженията, когато са подложени на външни сили. Това означава, че механичните свойства на композитите като якост и модул са значително подобрени. Например в космическата област, която изисква изключително високи механични свойства, частите на самолетите, направени с композити от активни въглеродни влакна, са в състояние да издържат на по-големи натоварвания при полет и да подобрят безопасността и надеждността на самолета. В областта на спортните стоки, като рамки за велосипеди, стикове за голф и др., композитите от активирани въглеродни влакна могат да осигурят по-добра здравина и твърдост, като същевременно намаляват теглото и подобряват опита на спортистите.
По отношение на устойчивостта на корозия, поради въвеждането на реактивни функционални групи върху повърхността на влакната от активен въглен, тези функционални групи могат да образуват по-стабилна химическа връзка с материала на матрицата, като по този начин подобряват устойчивостта на корозия на композитите. При някои сурови условия на околната среда, като морска среда, химическа промишленост и др., активиранияткомпозити от въглеродни влакнаможе по-добре да устои на ерозията на корозивните среди и да удължи експлоатационния живот. Това е от голямо значение за някои съоръжения и структури, които се използват в тежки условия за дълго време.
По отношение на термичната стабилност, доброто междинно свързване между влакна от активен въглен и матричен материал може да подобри термичната стабилност на композитите. При висока температура на околната среда, композитите могат да поддържат по-добри механични свойства и стабилност на размерите и са по-малко склонни към деформация и повреда. Това прави композитите с активирани въглеродни влакна широки перспективи за приложение при високотемпературни приложения, като части на автомобилни двигатели и горещи крайни части на авиационни двигатели.
По отношение на производителността на обработка, влакната от активен въглен имат повишена повърхностна активност и по-добра съвместимост с материала на матрицата. Това улеснява инфилтрирането и втвърдяването на матрицата върху повърхността на въглеродните влакна по време на подготовката на композитния материал, като по този начин подобрява ефективността на обработката и качеството на продукта. В същото време възможностите за проектиране на композитите от активни въглеродни влакна също са подобрени, което им позволява да бъдат персонализирани за различни приложения и да отговарят на различни сложни инженерни изисквания.
Следователно, активиращо лечение навъглеродни влакнае ключова връзка в подготовката на високоефективни композити от въглеродни влакна. Чрез активиращата обработка, повърхностната структура на въглеродните влакна може да бъде подобрена, за да се увеличи грапавостта на повърхността, да се въведат активни функционални групи и да се подобри повърхностната енергия, така че да се подобри силата на междуфазното свързване между въглеродните влакна и матричния материал и да се постави основата за получаване на композити от въглеродни влакна с отлични механични свойства, устойчивост на корозия, термична стабилност и производителност на обработка. С непрекъснатия прогрес на науката и технологиите се смята, че технологията за активиране на въглеродни влакна ще продължи да се обновява и развива, осигурявайки по-силна подкрепа за широкото приложение на композити от въглеродни влакна.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (също WhatsApp)
T: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Адрес: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang District, Шанхай
Време на публикуване: 04 септември 2024 г