Nell'era odierna del rapido progresso tecnologico, i compositi in fibra di carbonio si stanno facendo un nome in una vasta gamma di campi grazie alle loro prestazioni superiori. Dalle applicazioni di fascia alta nel settore aerospaziale alle esigenze quotidiane degli articoli sportivi, i compositi in fibra di carbonio hanno mostrato un grande potenziale. Tuttavia, per preparare compositi in fibra di carbonio ad alte prestazioni, trattamento di attivazionefibre di carbonioè un passo cruciale.
Immagine al microscopio elettronico della superficie in fibra di carbonio
La fibra di carbonio, un materiale in fibra ad alte prestazioni, ha molte proprietà interessanti. È composto principalmente da carbonio e ha una struttura filamentosa allungata. Dal punto di vista della struttura superficiale, la superficie della fibra di carbonio è relativamente liscia e presenta meno gruppi funzionali attivi. Ciò è dovuto al fatto che durante la preparazione delle fibre di carbonio, la carbonizzazione ad alta temperatura e altri trattamenti rendono la superficie delle fibre di carbonio presente in uno stato più inerte. Questa proprietà superficiale comporta una serie di sfide nella preparazione dei compositi in fibra di carbonio.
La superficie liscia rende debole il legame tra la fibra di carbonio e il materiale della matrice. Nella preparazione dei compositi, è difficile che il materiale della matrice formi un legame forte sulla superficie del compositofibra di carbonio, che influisce sulle prestazioni complessive del materiale composito. In secondo luogo, la mancanza di gruppi funzionali attivi limita la reazione chimica tra le fibre di carbonio e i materiali della matrice. Ciò fa sì che il legame interfacciale tra i due si basi principalmente su effetti fisici, come l'inclusione meccanica, ecc., che spesso non è sufficientemente stabile ed è incline alla separazione se sottoposto a forze esterne.
Diagramma schematico del rinforzo interstrato del tessuto in fibra di carbonio mediante nanotubi di carbonio
Per risolvere questi problemi diventa necessario il trattamento di attivazione delle fibre di carbonio. Attivatofibre di carboniomostrano cambiamenti significativi sotto diversi aspetti.
Il trattamento di attivazione aumenta la ruvidità superficiale delle fibre di carbonio. Attraverso l'ossidazione chimica, il trattamento al plasma e altri metodi, piccoli solchi e cavità possono essere incisi sulla superficie delle fibre di carbonio, rendendo la superficie ruvida. Questa superficie ruvida aumenta l'area di contatto tra la fibra di carbonio e il materiale del substrato, migliorando il legame meccanico tra i due. Quando il materiale della matrice è legato alla fibra di carbonio, è in grado di integrarsi meglio in queste strutture ruvide, formando un legame più forte.
Il trattamento di attivazione può introdurre numerosi gruppi funzionali reattivi sulla superficie della fibra di carbonio. Questi gruppi funzionali possono reagire chimicamente con i corrispondenti gruppi funzionali nel materiale della matrice per formare legami chimici. Ad esempio, il trattamento di ossidazione può introdurre gruppi idrossilici, gruppi carbossilici e altri gruppi funzionali sulla superficie delle fibre di carbonio, che possono reagire conepossidicogruppi nella matrice della resina e così via per formare legami covalenti. La forza di questo legame chimico è molto superiore a quella del legame fisico, il che migliora notevolmente la forza del legame interfacciale tra la fibra di carbonio e il materiale della matrice.
Anche l'energia superficiale della fibra di carbone attivo aumenta in modo significativo. L'aumento dell'energia superficiale rende più facile che la fibra di carbonio venga bagnata dal materiale della matrice, facilitando così la diffusione e la penetrazione del materiale della matrice sulla superficie della fibra di carbonio. Nel processo di preparazione dei compositi, il materiale della matrice può essere distribuito in modo più uniforme attorno alle fibre di carbonio per formare una struttura più densa. Ciò non solo migliora le proprietà meccaniche del materiale composito, ma ne migliora anche le altre proprietà, come la resistenza alla corrosione e la stabilità termica.
Le fibre di carbonio attivo presentano molteplici vantaggi per la preparazione di compositi in fibra di carbonio.
In termini di proprietà meccaniche, la forza di legame interfacciale tra gli attivatifibre di carbonioe il materiale della matrice è notevolmente migliorato, il che consente ai compositi di trasferire meglio le sollecitazioni quando sottoposti a forze esterne. Ciò significa che le proprietà meccaniche dei compositi come resistenza e modulo sono significativamente migliorate. Ad esempio, nel campo aerospaziale, che richiede proprietà meccaniche estremamente elevate, le parti di aeromobili realizzate con compositi in fibra di carbonio attivo sono in grado di resistere a carichi di volo maggiori e migliorare la sicurezza e l'affidabilità dell'aereo. Nel campo degli articoli sportivi, come telai di biciclette, mazze da golf, ecc., i compositi in fibra di carbonio attivo possono fornire migliore resistenza e rigidità, riducendo al contempo il peso e migliorando l'esperienza degli atleti.
In termini di resistenza alla corrosione, a causa dell'introduzione di gruppi funzionali reattivi sulla superficie delle fibre di carbone attivo, questi gruppi funzionali possono formare un legame chimico più stabile con il materiale della matrice, migliorando così la resistenza alla corrosione dei compositi. In alcune condizioni ambientali difficili, come l'ambiente marino, l'industria chimica, ecc., l'attivatocompositi in fibra di carboniopuò resistere meglio all'erosione dei mezzi corrosivi e prolungare la durata. Ciò è di grande importanza per alcune apparecchiature e strutture utilizzate per lungo tempo in ambienti difficili.
In termini di stabilità termica, un buon legame interfacciale tra fibra di carbonio attivo e materiale della matrice può migliorare la stabilità termica dei compositi. In un ambiente ad alta temperatura, i compositi possono mantenere migliori proprietà meccaniche e stabilità dimensionale e sono meno soggetti a deformazioni e danni. Ciò fa sì che i compositi in fibra di carbonio attivo abbiano ampie prospettive applicative in applicazioni ad alta temperatura, come parti di motori automobilistici e parti hot-end di motori aeronautici.
In termini di prestazioni di lavorazione, le fibre di carbone attivo hanno una maggiore attività superficiale e una migliore compatibilità con il materiale della matrice. Ciò facilita l'infiltrazione e la polimerizzazione del materiale della matrice sulla superficie della fibra di carbonio durante la preparazione del materiale composito, migliorando così l'efficienza della lavorazione e la qualità del prodotto. Allo stesso tempo, viene migliorata anche la progettabilità dei compositi in fibra di carbonio attivo, consentendo loro di essere personalizzati per diverse applicazioni e di soddisfare una varietà di requisiti ingegneristici complessi.
Pertanto, il trattamento di attivazione difibre di carbonioè un anello chiave nella preparazione di compositi in fibra di carbonio ad alte prestazioni. Attraverso il trattamento di attivazione, la struttura superficiale della fibra di carbonio può essere migliorata per aumentare la ruvidità superficiale, introdurre gruppi funzionali attivi e migliorare l'energia superficiale, in modo da migliorare la forza di legame interfacciale tra fibra di carbonio e materiale della matrice e gettare le basi per la preparazione di compositi in fibra di carbonio con eccellenti proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione, stabilità termica e prestazioni di lavorazione. Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, si ritiene che la tecnologia di attivazione della fibra di carbonio continuerà a innovarsi e svilupparsi, fornendo un supporto più forte per l'ampia applicazione dei compositi in fibra di carbonio.
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Orario di pubblicazione: 04-settembre-2024