چرا الیاف کربن را برای تهیه کامپوزیت فیبر کربن فعال کنیم؟

در عصر پیشرفت سریع فناوری امروز، کامپوزیت های فیبر کربن به دلیل عملکرد برتر خود در زمینه های مختلف نامی برای خود دست و پا کرده اند. از کاربردهای پیشرفته در هوافضا گرفته تا نیازهای روزانه کالاهای ورزشی، کامپوزیت های فیبر کربن پتانسیل زیادی را نشان داده اند. با این حال، برای تهیه کامپوزیت های فیبر کربن با کارایی بالا، عملیات فعال سازیالیاف کربنگامی حیاتی است

 تصویر میکروسکوپ الکترونی سطح فیبر کربن

فیبر کربن، یک ماده الیافی با کارایی بالا، دارای خواص قانع کننده بسیاری است. عمدتاً از کربن تشکیل شده است و ساختار رشته ای کشیده ای دارد. از نظر ساختار سطحی، سطح فیبر کربن نسبتا صاف است و گروه های عاملی فعال کمتری دارد. این به این دلیل است که در حین تهیه الیاف کربن، کربن سازی در دمای بالا و سایر عملیات ها باعث می شود سطح الیاف کربن حالت خنثی تری داشته باشد. این ویژگی سطحی یک سری چالش ها را برای تهیه کامپوزیت های فیبر کربنی به همراه دارد.

سطح صاف باعث می شود پیوند بین فیبر کربن و مواد ماتریکس ضعیف شود. در تهیه کامپوزیت ها، تشکیل یک پیوند قوی روی سطح ماده برای مواد ماتریس دشوار است.فیبر کربن، که بر عملکرد کلی ماده کامپوزیت تأثیر می گذارد. ثانیاً، فقدان گروه های عاملی فعال، واکنش شیمیایی بین الیاف کربن و مواد ماتریس را محدود می کند. این امر باعث می شود که پیوند سطحی بین این دو عمدتاً به اثرات فیزیکی مانند جاسازی مکانیکی و غیره متکی باشد که اغلب به اندازه کافی پایدار نیست و در صورت قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی مستعد جدا شدن است.

نمودار شماتیک تقویت بین لایه ای پارچه فیبر کربنی توسط نانولوله های کربنی

برای حل این مشکلات، عملیات فعال سازی الیاف کربن ضروری می شود. فعال شدالیاف کربنتغییرات قابل توجهی را در چندین جنبه نشان می دهد.

عملیات فعال سازی زبری سطح الیاف کربن را افزایش می دهد. از طریق اکسیداسیون شیمیایی، تصفیه پلاسما و روش‌های دیگر، حفره‌ها و شیارهای ریز را می‌توان در سطح الیاف کربن حک کرد و سطح را ناهموار کرد. این سطح ناهموار سطح تماس بین فیبر کربن و مواد زیرلایه را افزایش می دهد که پیوند مکانیکی بین این دو را بهبود می بخشد. هنگامی که ماده ماتریس به فیبر کربن متصل می شود، بهتر می تواند خود را در این ساختارهای ناهموار جاسازی کند و پیوند قوی تری ایجاد کند.

عملیات فعال‌سازی می‌تواند تعداد زیادی از گروه‌های عملکردی فعال را روی سطح فیبر کربن معرفی کند. این گروه‌های عاملی می‌توانند با گروه‌های عاملی مربوطه در ماده زمینه واکنش شیمیایی داده و پیوندهای شیمیایی تشکیل دهند. به عنوان مثال، عملیات اکسیداسیون می تواند گروه های هیدروکسیل، گروه های کربوکسیل و سایر گروه های عاملی را بر روی سطح الیاف کربن معرفی کند که می تواند با الیاف کربن واکنش نشان دهد.اپوکسیگروه های موجود در ماتریس رزین و غیره برای تشکیل پیوندهای کووالانسی. استحکام این پیوند شیمیایی بسیار بالاتر از پیوند فیزیکی است که استحکام پیوند سطحی بین فیبر کربن و ماده ماتریس را بسیار بهبود می بخشد.

انرژی سطحی فیبر کربن فعال نیز به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. افزایش انرژی سطحی باعث می شود که فیبر کربن توسط مواد ماتریس خیس شود، بنابراین پخش و نفوذ مواد ماتریس بر روی سطح فیبر کربن تسهیل می شود. در فرآیند تهیه کامپوزیت ها، مواد ماتریس را می توان به طور یکنواخت در اطراف الیاف کربن توزیع کرد تا ساختار متراکم تری تشکیل دهد. این نه تنها خواص مکانیکی مواد کامپوزیت را بهبود می بخشد، بلکه سایر خواص آن مانند مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی را نیز بهبود می بخشد.

الیاف کربن فعال دارای مزایای متعددی برای تهیه کامپوزیت های فیبر کربن هستند.

از نظر خواص مکانیکی، استحکام پیوند سطحی بین فعال شده استالیاف کربنو مواد ماتریس تا حد زیادی بهبود یافته است، که کامپوزیت ها را قادر می سازد تا تنش ها را در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی بهتر منتقل کنند. این بدان معنی است که خواص مکانیکی کامپوزیت ها مانند استحکام و مدول به طور قابل توجهی بهبود یافته است. به عنوان مثال، در زمینه هوافضا، که به خواص مکانیکی بسیار بالایی نیاز دارد، قطعات هواپیما ساخته شده با کامپوزیت های فیبر کربن فعال می توانند بارهای پروازی بیشتری را تحمل کنند و ایمنی و قابلیت اطمینان هواپیما را بهبود بخشند. در زمینه کالاهای ورزشی مانند قاب دوچرخه، چوب گلف و غیره، کامپوزیت های فیبر کربن فعال می توانند استحکام و سفتی بهتری را ارائه دهند و در عین حال باعث کاهش وزن و بهبود تجربه ورزشکاران شوند.

از نظر مقاومت در برابر خوردگی، با توجه به معرفی گروه‌های عاملی واکنش‌پذیر بر روی سطح الیاف کربن فعال، این گروه‌های عاملی می‌توانند پیوند شیمیایی پایدارتری با مواد ماتریس ایجاد کنند و در نتیجه مقاومت به خوردگی کامپوزیت‌ها را بهبود بخشند. در برخی شرایط سخت محیطی مانند محیط های دریایی، صنایع شیمیایی و غیره فعال می شودکامپوزیت های فیبر کربنیبهتر می تواند در برابر فرسایش رسانه های خورنده مقاومت کند و عمر مفید را افزایش دهد. این برای برخی از تجهیزات و سازه هایی که برای مدت طولانی در محیط های خشن مورد استفاده قرار می گیرند، اهمیت زیادی دارد.

از نظر پایداری حرارتی، پیوند سطحی خوب بین فیبر کربن فعال و مواد ماتریس می‌تواند پایداری حرارتی کامپوزیت‌ها را بهبود بخشد. در محیط دمای بالا، کامپوزیت ها می توانند خواص مکانیکی و پایداری ابعادی بهتری را حفظ کنند و کمتر مستعد تغییر شکل و آسیب هستند. این امر باعث می‌شود کامپوزیت‌های فیبر کربن فعال، چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در کاربردهای با دمای بالا، مانند قطعات موتور خودرو و قطعات داغ موتور هوانوردی داشته باشند.

از نظر عملکرد پردازش، الیاف کربن فعال افزایش فعالیت سطحی و سازگاری بهتر با مواد ماتریس دارند. این امر باعث می‌شود که مواد ماتریس در طول آماده‌سازی مواد کامپوزیت، نفوذ و پخت بر روی سطح فیبر کربن را آسان‌تر کند و در نتیجه راندمان پردازش و کیفیت محصول را بهبود بخشد. در عین حال، قابلیت طراحی کامپوزیت‌های فیبر کربن فعال نیز افزایش می‌یابد و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا برای کاربردهای مختلف سفارشی شوند و انواع نیازهای مهندسی پیچیده را برآورده کنند.

بنابراین، درمان فعال سازیالیاف کربنیک پیوند کلیدی در تهیه کامپوزیت های فیبر کربنی با کارایی بالا است. از طریق عملیات فعال‌سازی، ساختار سطح فیبر کربن را می‌توان برای افزایش زبری سطح، معرفی گروه‌های عامل فعال و بهبود انرژی سطح بهبود بخشید تا استحکام پیوند سطحی بین فیبر کربن و مواد ماتریس را بهبود بخشد و پایه‌گذاری شود. برای تهیه کامپوزیت های فیبر کربن با خواص مکانیکی عالی، مقاومت در برابر خوردگی، پایداری حرارتی و عملکرد پردازش. با پیشرفت مداوم علم و فناوری، اعتقاد بر این است که فناوری فعال‌سازی فیبر کربن به نوآوری و توسعه ادامه خواهد داد و پشتیبانی قوی‌تری برای کاربرد گسترده کامپوزیت‌های فیبر کربن ارائه می‌کند.

Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (همچنین whatsapp)
T: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
آدرس: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang District، شانگهای