Im Zeitalter des rasanten technologischen Fortschritts machen sich Kohlefaserverbundwerkstoffe aufgrund ihrer überlegenen Leistungsfähigkeit in den unterschiedlichsten Bereichen einen Namen. Von High-End-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt bis hin zum täglichen Bedarf an Sportartikeln haben Kohlefaserverbundwerkstoffe großes Potenzial gezeigt. Zur Herstellung von Hochleistungs-Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen ist jedoch eine Aktivierungsbehandlung erforderlichKohlenstofffasernist ein entscheidender Schritt.
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Kohlenstofffaseroberfläche
Carbonfaser, ein Hochleistungsfasermaterial, verfügt über viele überzeugende Eigenschaften. Es besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und hat eine längliche fadenförmige Struktur. Aus Sicht der Oberflächenstruktur ist die Oberfläche von Kohlenstofffasern relativ glatt und weist weniger aktive funktionelle Gruppen auf. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei der Herstellung von Kohlenstofffasern Hochtemperaturkarbonisierung und andere Behandlungen dazu führen, dass die Oberfläche von Kohlenstofffasern einen inerteren Zustand aufweist. Diese Oberflächeneigenschaft bringt eine Reihe von Herausforderungen für die Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen mit sich.
Durch die glatte Oberfläche wird die Bindung zwischen Kohlefaser und Matrixmaterial schwach. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen ist es schwierig, dass das Matrixmaterial eine starke Bindung auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs eingehtKohlefaser, was sich auf die Gesamtleistung des Verbundmaterials auswirkt. Zweitens begrenzt das Fehlen aktiver funktioneller Gruppen die chemische Reaktion zwischen Kohlenstofffasern und Matrixmaterialien. Dies führt dazu, dass die Grenzflächenbindung zwischen den beiden hauptsächlich auf physikalischen Effekten wie mechanischer Einbettung usw. beruht, die häufig nicht stabil genug ist und bei Einwirkung äußerer Kräfte zur Trennung neigt.
Schematische Darstellung der Zwischenschichtverstärkung von Kohlefasergewebe durch Kohlenstoffnanoröhren
Um diese Probleme zu lösen, ist eine Aktivierungsbehandlung von Kohlenstofffasern erforderlich. AktiviertKohlenstofffasernweisen in mehreren Aspekten erhebliche Veränderungen auf.
Durch die Aktivierungsbehandlung wird die Oberflächenrauheit von Kohlenstofffasern erhöht. Durch chemische Oxidation, Plasmabehandlung und andere Methoden können winzige Grübchen und Rillen in die Oberfläche von Kohlenstofffasern geätzt werden, wodurch die Oberfläche rau wird. Diese raue Oberfläche vergrößert die Kontaktfläche zwischen der Carbonfaser und dem Substratmaterial, was die mechanische Verbindung zwischen beiden verbessert. Wenn das Matrixmaterial mit der Kohlefaser verbunden ist, kann es sich besser in diese rauen Strukturen einbetten und eine stärkere Bindung bilden.
Die Aktivierungsbehandlung kann eine Fülle reaktiver funktioneller Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser einführen. Diese funktionellen Gruppen können mit den entsprechenden funktionellen Gruppen im Matrixmaterial chemisch reagieren und chemische Bindungen eingehen. Beispielsweise können durch eine Oxidationsbehandlung Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und andere funktionelle Gruppen auf der Oberfläche von Kohlenstofffasern eingeführt werden, die mit ihnen reagieren könnenEpoxidharzGruppen in der Harzmatrix usw., um kovalente Bindungen zu bilden. Die Stärke dieser chemischen Bindung ist viel höher als die der physikalischen Bindung, was die Grenzflächenbindungsfestigkeit zwischen der Kohlenstofffaser und dem Matrixmaterial erheblich verbessert.
Auch die Oberflächenenergie der Aktivkohlefaser erhöht sich deutlich. Die Erhöhung der Oberflächenenergie erleichtert die Benetzung der Kohlenstofffaser durch das Matrixmaterial und erleichtert so die Ausbreitung und das Eindringen des Matrixmaterials auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen kann das Matrixmaterial gleichmäßiger um die Kohlenstofffasern verteilt werden, um eine dichtere Struktur zu bilden. Dadurch werden nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs verbessert, sondern auch seine anderen Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität.
Aktivkohlefasern bieten zahlreiche Vorteile für die Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen.
In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften ist die Grenzflächenbindungsstärke zwischen den aktiviertenKohlenstofffasernund das Matrixmaterial wird deutlich verbessert, wodurch die Verbundwerkstoffe Spannungen besser übertragen können, wenn sie äußeren Kräften ausgesetzt sind. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen wie Festigkeit und Modul deutlich verbessert. Im Luft- und Raumfahrtbereich beispielsweise, der extrem hohe mechanische Eigenschaften erfordert, sind Flugzeugteile aus Aktivkohlefaser-Verbundwerkstoffen in der Lage, höheren Flugbelastungen standzuhalten und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Flugzeugs zu verbessern. Im Bereich von Sportartikeln wie Fahrradrahmen, Golfschlägern usw. können Aktivkohlefaser-Verbundwerkstoffe für mehr Festigkeit und Steifigkeit sorgen, gleichzeitig das Gewicht reduzieren und das Erlebnis der Sportler verbessern.
Im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit können diese funktionellen Gruppen durch die Einführung reaktiver funktioneller Gruppen auf der Oberfläche von Aktivkohlefasern eine stabilere chemische Bindung mit dem Matrixmaterial eingehen und so die Korrosionsbeständigkeit der Verbundwerkstoffe verbessern. In einigen rauen Umgebungsbedingungen, wie z. B. in der Meeresumwelt, in der chemischen Industrie usw., wird das aktiviertKohlefaserverbundwerkstoffekann der Erosion korrosiver Medien besser widerstehen und die Lebensdauer verlängern. Dies ist für einige Geräte und Strukturen, die über einen längeren Zeitraum in rauen Umgebungen eingesetzt werden, von großer Bedeutung.
Im Hinblick auf die thermische Stabilität kann eine gute Grenzflächenbindung zwischen Aktivkohlefaser und Matrixmaterial die thermische Stabilität von Verbundwerkstoffen verbessern. Unter der Hochtemperaturumgebung können die Verbundwerkstoffe bessere mechanische Eigenschaften und Dimensionsstabilität beibehalten und sind weniger anfällig für Verformung und Beschädigung. Dadurch haben die Aktivkohlefaser-Verbundwerkstoffe breite Anwendungsaussichten in Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise in Teilen von Automobilmotoren und Hot-End-Teilen von Flugzeugmotoren.
Hinsichtlich der Verarbeitungsleistung weisen die Aktivkohlefasern eine erhöhte Oberflächenaktivität und eine bessere Verträglichkeit mit dem Matrixmaterial auf. Dies erleichtert das Eindringen und Aushärten des Matrixmaterials auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser während der Herstellung des Verbundwerkstoffs und verbessert so die Verarbeitungseffizienz und Produktqualität. Gleichzeitig wird auch die Gestaltungsfähigkeit der Aktivkohlefaser-Verbundwerkstoffe verbessert, sodass sie für verschiedene Anwendungen individuell angepasst werden können und eine Vielzahl komplexer technischer Anforderungen erfüllen.
Daher ist eine Aktivierungsbehandlung vonKohlenstofffasernist ein wichtiges Glied bei der Herstellung von Hochleistungs-Carbonfaser-Verbundwerkstoffen. Durch die Aktivierungsbehandlung kann die Oberflächenstruktur von Kohlenstofffasern verbessert werden, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen, aktive funktionelle Gruppen einzuführen und die Oberflächenenergie zu verbessern, um so die Grenzflächenbindungsfestigkeit zwischen Kohlenstofffasern und Matrixmaterial zu verbessern und den Grundstein zu legen zur Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, thermischer Stabilität und Verarbeitungsleistung. Man geht davon aus, dass die Kohlenstofffaser-Aktivierungstechnologie angesichts des kontinuierlichen Fortschritts in Wissenschaft und Technologie weiterhin innovativ sein und sich weiterentwickeln wird, was die breite Anwendung von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen stärker unterstützen wird.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.09.2024