À l’ère actuelle de progrès technologiques rapides, les composites en fibre de carbone se font un nom dans un large éventail de domaines en raison de leurs performances supérieures. Des applications haut de gamme dans l’aérospatiale aux besoins quotidiens des articles de sport, les composites en fibre de carbone ont montré un grand potentiel. Cependant, pour préparer des composites en fibre de carbone haute performance, un traitement d'activation defibres de carboneest une étape cruciale.
Image au microscope électronique à surface en fibre de carbone
La fibre de carbone, un matériau fibreux haute performance, possède de nombreuses propriétés intéressantes. Il est principalement composé de carbone et possède une structure filamenteuse allongée. Du point de vue de la structure de surface, la surface de la fibre de carbone est relativement lisse et contient moins de groupes fonctionnels actifs. Cela est dû au fait que lors de la préparation des fibres de carbone, la carbonisation à haute température et d'autres traitements rendent la surface des fibres de carbone plus inerte. Cette propriété de surface pose une série de défis à la préparation de composites à base de fibres de carbone.
La surface lisse rend la liaison entre la fibre de carbone et le matériau de la matrice faible. Lors de la préparation de composites, il est difficile pour le matériau de matrice de former une liaison solide à la surface du matériau.fibre de carbone, ce qui affecte les performances globales du matériau composite. Deuxièmement, le manque de groupes fonctionnels actifs limite la réaction chimique entre les fibres de carbone et les matériaux de matrice. Cela fait que la liaison interfaciale entre les deux repose principalement sur des effets physiques, tels que l'encastrement mécanique, etc., qui n'est souvent pas assez stable et est sujet à la séparation lorsqu'il est soumis à des forces externes.
Diagramme schématique du renforcement intercalaire d'un tissu en fibre de carbone par des nanotubes de carbone
Afin de résoudre ces problèmes, un traitement d’activation des fibres de carbone devient nécessaire. Activéfibres de carbonemontrent des changements significatifs sous plusieurs aspects.
Le traitement d'activation augmente la rugosité de surface des fibres de carbone. Grâce à l’oxydation chimique, au traitement au plasma et à d’autres méthodes, de minuscules creux et rainures peuvent être gravés dans la surface des fibres de carbone, rendant la surface rugueuse. Cette surface rugueuse augmente la surface de contact entre la fibre de carbone et le matériau du substrat, ce qui améliore la liaison mécanique entre les deux. Lorsque le matériau de la matrice est lié à la fibre de carbone, il est mieux à même de s'intégrer dans ces structures rugueuses, formant ainsi une liaison plus forte.
Le traitement d'activation peut introduire une abondance de groupes fonctionnels réactifs à la surface de la fibre de carbone. Ces groupes fonctionnels peuvent réagir chimiquement avec les groupes fonctionnels correspondants dans le matériau de la matrice pour former des liaisons chimiques. Par exemple, le traitement d'oxydation peut introduire des groupes hydroxyle, des groupes carboxyle et d'autres groupes fonctionnels à la surface des fibres de carbone, qui peuvent réagir avec leépoxygroupes dans la matrice de résine et ainsi de suite pour former des liaisons covalentes. La force de cette liaison chimique est bien supérieure à celle de la liaison physique, ce qui améliore considérablement la force de liaison interfaciale entre la fibre de carbone et le matériau de matrice.
L'énergie de surface de la fibre de charbon actif augmente également considérablement. L'augmentation de l'énergie de surface facilite le mouillage de la fibre de carbone par le matériau de matrice, facilitant ainsi l'étalement et la pénétration du matériau de matrice à la surface de la fibre de carbone. Lors du processus de préparation des composites, le matériau de la matrice peut être réparti plus uniformément autour des fibres de carbone pour former une structure plus dense. Cela améliore non seulement les propriétés mécaniques du matériau composite, mais améliore également ses autres propriétés, telles que la résistance à la corrosion et la stabilité thermique.
Les fibres de charbon actif présentent de multiples avantages pour la préparation de composites de fibres de carbone.
En termes de propriétés mécaniques, la force de liaison interfaciale entre le matériau activéfibres de carboneet le matériau de la matrice est grandement amélioré, ce qui permet aux composites de mieux transférer les contraintes lorsqu'ils sont soumis à des forces externes. Cela signifie que les propriétés mécaniques des composites telles que la résistance et le module sont considérablement améliorées. Par exemple, dans le domaine aérospatial, qui nécessite des propriétés mécaniques extrêmement élevées, les pièces d’avion fabriquées à partir de composites de fibres de carbone activé sont capables de résister à des charges de vol plus importantes et d’améliorer la sécurité et la fiabilité de l’avion. Dans le domaine des articles de sport, tels que les cadres de vélo, les clubs de golf, etc., les composites de fibres de carbone activé peuvent offrir une meilleure résistance et rigidité, tout en réduisant le poids et en améliorant l'expérience des athlètes.
En termes de résistance à la corrosion, grâce à l'introduction de groupes fonctionnels réactifs à la surface des fibres de charbon actif, ces groupes fonctionnels peuvent former une liaison chimique plus stable avec le matériau de la matrice, améliorant ainsi la résistance à la corrosion des composites. Dans certaines conditions environnementales difficiles, telles que le milieu marin, l'industrie chimique, etc., l'activécomposites en fibre de carbonepeut mieux résister à l'érosion des milieux corrosifs et prolonger la durée de vie. Ceci est d'une grande importance pour certains équipements et structures utilisés pendant une longue période dans des environnements difficiles.
En termes de stabilité thermique, une bonne liaison interfaciale entre la fibre de charbon actif et le matériau de matrice peut améliorer la stabilité thermique des composites. Dans un environnement à haute température, les composites peuvent conserver de meilleures propriétés mécaniques et stabilité dimensionnelle, et sont moins sujets à la déformation et aux dommages. Cela confère aux composites de fibres de carbone activé de larges perspectives d'application dans les applications à haute température, telles que les pièces de moteurs automobiles et les pièces chaudes de moteurs d'aviation.
En termes de performances de traitement, les fibres de charbon actif ont une activité de surface accrue et une meilleure compatibilité avec le matériau de la matrice. Cela facilite l'infiltration et le durcissement du matériau de matrice à la surface de la fibre de carbone lors de la préparation du matériau composite, améliorant ainsi l'efficacité du traitement et la qualité du produit. Dans le même temps, la capacité de conception des composites de fibres de charbon actif est également améliorée, ce qui leur permet d'être personnalisés pour différentes applications et de répondre à diverses exigences techniques complexes.
Par conséquent, le traitement d’activation defibres de carboneest un maillon clé dans la préparation de composites en fibre de carbone haute performance. Grâce au traitement d'activation, la structure de surface de la fibre de carbone peut être améliorée pour augmenter la rugosité de la surface, introduire des groupes fonctionnels actifs et améliorer l'énergie de surface, de manière à améliorer la force de liaison interfaciale entre la fibre de carbone et le matériau de matrice, et à poser les bases pour la préparation de composites de fibres de carbone présentant d'excellentes propriétés mécaniques, résistance à la corrosion, stabilité thermique et performances de traitement. Avec les progrès continus de la science et de la technologie, on pense que la technologie d'activation de la fibre de carbone continuera d'innover et de se développer, offrant ainsi un soutien plus fort à l'application à grande échelle des composites de fibre de carbone.
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Heure de publication : 04 septembre 2024