Na era de hoje de rápido avanço tecnológico, os compósitos de fibra de carbono estão se destacando em uma ampla gama de campos devido ao seu desempenho superior. Desde aplicações de ponta no aeroespacial às necessidades diárias de artigos esportivos, os compósitos de fibra de carbono mostraram grande potencial. No entanto, para preparar compósitos de fibra de carbono de alto desempenho, tratamento de ativação defibras de carbonoé um passo crucial.
Imagem do microscópio eletrônico de superfície de fibra de carbono
A fibra de carbono, um material de fibra de alto desempenho, possui muitas propriedades atraentes. É composto principalmente de carbono e possui uma estrutura filamentária alongada. Do ponto de vista da estrutura da superfície, a superfície da fibra de carbono é relativamente suave e possui menos grupos funcionais ativos. Isso se deve ao fato de que, durante a preparação de fibras de carbono, a carbonização de alta temperatura e outros tratamentos fazem com que a superfície das fibras de carbono apresente um estado mais inerte. Essa propriedade de superfície traz uma série de desafios para a preparação de compósitos de fibra de carbono.
A superfície lisa torna a ligação entre a fibra de carbono e o material da matriz fraca. Na preparação de compósitos, é difícil para o material da matriz formar uma forte ligação na superfície dofibra de carbono, que afeta o desempenho geral do material composto. Em segundo lugar, a falta de grupos funcionais ativos limita a reação química entre as fibras de carbono e os materiais da matriz. Isso faz com que a ligação interfacial entre os dois dependa principalmente de efeitos físicos, como incorporação mecânica, etc., que geralmente não é estável o suficiente e é propenso à separação quando submetido a forças externas.
Diagrama esquemático de reforço entre camadas de pano de fibra de carbono por nanotubos de carbono
Para resolver esses problemas, o tratamento de ativação das fibras de carbono se torna necessário. Ativadofibras de carbonomostram mudanças significativas em vários aspectos.
O tratamento de ativação aumenta a rugosidade da superfície das fibras de carbono. Através da oxidação química, o tratamento com plasma e outros métodos, pequenos poços e ranhuras podem ser gravados na superfície das fibras de carbono, tornando a superfície áspera. Essa superfície áspera aumenta a área de contato entre a fibra de carbono e o material do substrato, o que melhora a ligação mecânica entre os dois. Quando o material da matriz é ligado à fibra de carbono, ele é mais capaz de se incorporar a essas estruturas ásperas, formando uma ligação mais forte.
O tratamento de ativação pode introduzir uma abundância de grupos funcionais reativos na superfície da fibra de carbono. Esses grupos funcionais podem reagir quimicamente com os grupos funcionais correspondentes no material da matriz para formar ligações químicas. Por exemplo, o tratamento de oxidação pode introduzir grupos hidroxila, grupos carboxila e outros grupos funcionais na superfície das fibras de carbono, que podem reagir com oepóxiGrupos na matriz de resina e assim por diante para formar ligações covalentes. A força dessa ligação química é muito maior que a da ligação física, o que melhora bastante a força de ligação interfacial entre a fibra de carbono e o material da matriz.
A energia superficial da fibra de carbono ativada também aumenta significativamente. O aumento da energia da superfície facilita para a fibra de carbono ser molhada pelo material da matriz, facilitando assim a propagação e penetração do material da matriz na superfície da fibra de carbono. No processo de preparação de compósitos, o material da matriz pode ser distribuído de maneira mais uniforme em torno das fibras de carbono para formar uma estrutura mais densa. Isso não apenas melhora as propriedades mecânicas do material compósito, mas também melhora suas outras propriedades, como resistência à corrosão e estabilidade térmica.
As fibras de carbono ativadas têm várias vantagens para a preparação de compósitos de fibra de carbono.
Em termos de propriedades mecânicas, a força de ligação interfacial entre o ativadofibras de carbonoe o material da matriz é bastante aprimorado, o que permite que os compósitos transfiram melhor as tensões quando submetidas a forças externas. Isso significa que as propriedades mecânicas de compósitos, como força e módulo, são significativamente melhoradas. Por exemplo, no campo aeroespacial, que requer propriedades mecânicas extremamente altas, as peças de aeronaves feitas com compósitos de fibra de carbono ativados são capazes de suportar maiores cargas de vôo e melhorar a segurança e a confiabilidade da aeronave. No campo dos artigos esportivos, como quadros de bicicleta, tacos de golfe etc., os compósitos de fibra de carbono ativados podem proporcionar melhor força e rigidez, reduzindo o peso e melhorando a experiência dos atletas.
Em termos de resistência à corrosão, devido à introdução de grupos funcionais reativos na superfície das fibras de carbono ativadas, esses grupos funcionais podem formar uma ligação química mais estável com o material da matriz, melhorando assim a resistência à corrosão dos compósitos. Em algumas condições ambientais severas, como o ambiente marinho, a indústria química, etc., o ativadoCompostos de fibra de carbonopode resistir melhor à erosão da mídia corrosiva e prolongar a vida útil do serviço. Isso é de grande importância para alguns equipamentos e estruturas que são usadas em ambientes agressivos por um longo tempo.
Em termos de estabilidade térmica, boa ligação interfacial entre fibra de carbono ativada e material da matriz pode melhorar a estabilidade térmica dos compósitos. Sob o ambiente de alta temperatura, os compósitos podem manter melhores propriedades mecânicas e estabilidade dimensional e são menos propensas a deformação e danos. Isso faz com que os compósitos de fibra de carbono ativados tenham amplas perspectivas de aplicação em aplicações de alta temperatura, como peças automotivas do motor e peças de extremidade quentes do motor da aviação.
Em termos de desempenho do processamento, as fibras de carbono ativadas aumentaram a atividade da superfície e a melhor compatibilidade com o material da matriz. Isso facilita a infiltração e a cura do material da matriz na superfície da fibra de carbono durante a preparação do material compósito, melhorando assim a eficiência do processamento e a qualidade do produto. Ao mesmo tempo, a designabilidade dos compósitos de fibra de carbono ativada também é aprimorada, permitindo que eles sejam personalizados para diferentes aplicações e atendam a uma variedade de requisitos complexos de engenharia.
Portanto, tratamento de ativação defibras de carbonoé um link-chave na preparação de compósitos de fibra de carbono de alto desempenho. Através do tratamento de ativação, a estrutura da superfície da fibra de carbono pode ser melhorada para aumentar a rugosidade da superfície, introduzir grupos funcionais ativos e melhorar a energia da superfície, de modo a melhorar a força de ligação interfacial entre fibra de carbono e material da matriz e estabelecer a base para a preparação de compósitos de fibra de carbono com excelentes propriedades mecânicas, resistência à corrosão, estabilidade térmica. Com o progresso contínuo da ciência e da tecnologia, acredita -se que a tecnologia de ativação de fibra de carbono continuará inovando e desenvolvendo, fornecendo um apoio mais forte à ampla aplicação de compósitos de fibra de carbono.
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Hora de postagem: set-04-2024