Na era atual de rápido avanço tecnológico, os compósitos de fibra de carbono estão se destacando em uma ampla variedade de campos devido ao seu desempenho superior. Desde aplicações de ponta na indústria aeroespacial até as necessidades diárias de artigos esportivos, os compósitos de fibra de carbono têm demonstrado grande potencial. Contudo, para preparar compósitos de fibra de carbono de alto desempenho, o tratamento de ativação defibras de carbonoé um passo crucial.
Imagem de 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 filamentar alongada. Do ponto de vista da estrutura superficial, a superfície da fibra de carbono é relativamente lisa e possui menos grupos funcionais ativos. Isso se deve ao fato de que durante a preparação das fibras de carbono, a carbonização em alta temperatura e outros tratamentos fazem com que a superfície das fibras de carbono apresente um estado mais inerte. Esta propriedade superficial traz uma série de desafios para a preparação de compósitos de fibra de carbono.
A superfície lisa torna fraca a ligação entre a fibra de carbono e o material da matriz. Na preparação de compósitos, é difícil para o material da matriz formar uma ligação forte na superfície do material.fibra de carbono, o que afeta o desempenho geral do material compósito. Em segundo lugar, a falta de grupos funcionais activos limita a reacção 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 muitas vezes não é suficientemente estável e está sujeita à separação quando submetida a forças externas.
Diagrama esquemático do reforço intercamadas de tecido de fibra de carbono por nanotubos de carbono
Para resolver estes problemas, torna-se necessário o tratamento de ativação das fibras de carbono. Ativadofibras de carbonomostram mudanças significativas em vários aspectos.
O tratamento de ativação aumenta a rugosidade superficial das fibras de carbono. Através da oxidação química, tratamento de plasma e outros métodos, pequenos buracos e sulcos podem ser gravados na superfície das fibras de carbono, tornando a superfície áspera. Esta superfície rugosa aumenta a área de contacto 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 consegue se incorporar melhor nessas 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. Estes 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 resistência desta ligação química é muito maior do que a da ligação física, o que melhora muito a resistência da ligação interfacial entre a fibra de carbono e o material da matriz.
A energia superficial da fibra de carbono ativado também aumenta significativamente. O aumento da energia superficial facilita que a fibra de carbono seja molhada pelo material da matriz, facilitando assim o espalhamento e a 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. Isto não só melhora as propriedades mecânicas do material compósito, mas também melhora as suas outras propriedades, tais como resistência à corrosão e estabilidade térmica.
As fibras de carbono ativado apresentam múltiplas 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 melhorado, o que permite aos compósitos transferir melhor as tensões quando submetidos a forças externas. Isto significa que as propriedades mecânicas dos compósitos, como resistência e módulo, são significativamente melhoradas. Por exemplo, no campo aeroespacial, que exige propriedades mecânicas extremamente elevadas, as peças de aeronaves feitas com compósitos de fibra de carbono ativado são capazes de suportar maiores cargas de voo e melhorar a segurança e a confiabilidade da aeronave. Na área de artigos esportivos, como quadros de bicicletas, tacos de golfe, etc., os compósitos de fibra de carbono ativado podem proporcionar melhor resistência e rigidez, ao mesmo tempo que reduzem o peso e melhoram a experiência dos atletas.
Em termos de resistência à corrosão, devido à introdução de grupos funcionais reativos na superfície das fibras de carbono ativado, esses grupos funcionais podem formar ligações químicas mais estáveis com o material da matriz, melhorando assim a resistência à corrosão dos compósitos. Em algumas condições ambientais adversas, como o ambiente marinho, a indústria química, etc., o ativadocompósitos de fibra de carbonopode resistir melhor à erosão de meios corrosivos e prolongar a vida útil. Isto é de grande importância para alguns equipamentos e estruturas que são utilizados em ambientes agressivos há muito tempo.
Em termos de estabilidade térmica, uma boa ligação interfacial entre a fibra de carbono ativada e o 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 propensos a deformações e danos. Isso faz com que os compósitos de fibra de carbono ativado tenham amplas perspectivas de aplicação em aplicações de alta temperatura, como peças de motores automotivos e peças quentes de motores de aviação.
Em termos de desempenho de processamento, as fibras de carvão ativado apresentam maior atividade superficial e melhor compatibilidade com o material da matriz. Isto facilita a infiltração e 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 capacidade de design dos compósitos de fibra de carbono ativado também é aprimorada, permitindo que sejam personalizados para diferentes aplicações e atendam a uma variedade de requisitos complexos de engenharia.
Portanto, o tratamento de ativação defibras de carbonoé um elo fundamental na preparação de compósitos de fibra de carbono de alto desempenho. Através do tratamento de ativação, a estrutura superficial da fibra de carbono pode ser melhorada para aumentar a rugosidade da superfície, introduzir grupos funcionais ativos e melhorar a energia superficial, de modo a melhorar a força de ligação interfacial entre a fibra de carbono e o 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 e desempenho de processamento. Com o progresso contínuo da ciência e da tecnologia, acredita-se que a tecnologia de ativação de fibra de carbono continuará a inovar e a se desenvolver, fornecendo um suporte mais forte para a ampla aplicação de compósitos de fibra de carbono.
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Horário da postagem: 04/09/2024