V dnešnej dobe rýchleho technologického pokroku si kompozity z uhlíkových vlákien robia meno v širokej škále oblastí vďaka ich vynikajúcemu výkonu. Od špičkových aplikácií v letectve až po každodenné potreby športových potrieb, kompozity z uhlíkových vlákien ukázali veľký potenciál. Na prípravu vysokovýkonných kompozitov z uhlíkových vlákien sa však aktivačná úpravauhlíkové vláknaje zásadný krok.
Obrázok z povrchového elektrónového mikroskopu z uhlíkových vlákien
Uhlíkové vlákno, vysokovýkonný vláknitý materiál, má mnoho presvedčivých vlastností. Skladá sa hlavne z uhlíka a má predĺženú vláknitú štruktúru. Z hľadiska štruktúry povrchu je povrch uhlíkových vlákien relatívne hladký a má menej aktívnych funkčných skupín. Je to spôsobené tým, že počas prípravy uhlíkových vlákien vysokoteplotná karbonizácia a ďalšie úpravy spôsobujú, že povrch uhlíkových vlákien je inertnejší. Táto povrchová vlastnosť prináša sériu výziev pri príprave kompozitov z uhlíkových vlákien.
Hladký povrch oslabuje väzbu medzi uhlíkovými vláknami a matricovým materiálom. Pri príprave kompozitov je pre matricový materiál ťažké vytvoriť silnú väzbu na povrchuuhlíkové vlákno, čo ovplyvňuje celkový výkon kompozitného materiálu. Po druhé, nedostatok aktívnych funkčných skupín obmedzuje chemickú reakciu medzi uhlíkovými vláknami a matricovými materiálmi. To spôsobuje, že medzifázová väzba medzi týmito dvoma závisí hlavne od fyzikálnych efektov, ako je mechanické zapustenie atď., ktoré často nie je dostatočne stabilné a je náchylné na oddelenie, keď je vystavené vonkajším silám.
Schematický diagram vystuženia medzivrstvy tkaniny z uhlíkových vlákien uhlíkovými nanorúrkami
Na vyriešenie týchto problémov je nevyhnutná aktivačná úprava uhlíkových vlákien. Aktivovanéuhlíkové vláknavykazujú významné zmeny vo viacerých aspektoch.
Aktivačná úprava zvyšuje drsnosť povrchu uhlíkových vlákien. Chemickou oxidáciou, plazmovým spracovaním a inými metódami môžu byť do povrchu uhlíkových vlákien vyleptané drobné jamky a ryhy, čím sa povrch stáva drsným. Tento drsný povrch zväčšuje kontaktnú plochu medzi uhlíkovými vláknami a materiálom substrátu, čo zlepšuje mechanickú väzbu medzi nimi. Keď je matricový materiál spojený s uhlíkovým vláknom, je lepšie schopný zapustiť sa do týchto hrubých štruktúr, čím sa vytvorí pevnejšie spojenie.
Aktivačné spracovanie môže zaviesť množstvo reaktívnych funkčných skupín na povrch uhlíkového vlákna. Tieto funkčné skupiny môžu chemicky reagovať so zodpovedajúcimi funkčnými skupinami v matricovom materiáli za vzniku chemických väzieb. Napríklad oxidačné spracovanie môže zaviesť hydroxylové skupiny, karboxylové skupiny a iné funkčné skupiny na povrch uhlíkových vlákien, ktoré môžu reagovať sepoxidskupiny v matrici živice a tak ďalej, aby sa vytvorili kovalentné väzby. Pevnosť tejto chemickej väzby je oveľa vyššia ako pevnosť fyzikálnej väzby, čo výrazne zlepšuje pevnosť medzifázovej väzby medzi uhlíkovými vláknami a materiálom matrice.
Výrazne sa zvyšuje aj povrchová energia vlákna s aktívnym uhlím. Zvýšenie povrchovej energie uľahčuje zmáčanie uhlíkového vlákna materiálom matrice, čím sa uľahčuje šírenie a prenikanie materiálu matrice na povrch uhlíkového vlákna. V procese prípravy kompozitov môže byť matricový materiál rovnomernejšie distribuovaný okolo uhlíkových vlákien, aby sa vytvorila hustejšia štruktúra. Tým sa zlepšujú nielen mechanické vlastnosti kompozitného materiálu, ale zlepšujú sa aj jeho ďalšie vlastnosti, ako je odolnosť proti korózii a tepelná stabilita.
Aktívne uhlíkové vlákna majú viacero výhod na prípravu kompozitov z uhlíkových vlákien.
Pokiaľ ide o mechanické vlastnosti, pevnosť medzifázovej väzby medzi aktivovanýmiuhlíkové vláknaa materiál matrice je výrazne vylepšený, čo umožňuje kompozitom lepšie prenášať napätie, keď sú vystavené vonkajším silám. To znamená, že mechanické vlastnosti kompozitov, ako je pevnosť a modul, sa výrazne zlepšujú. Napríklad v oblasti letectva, ktoré si vyžaduje extrémne vysoké mechanické vlastnosti, časti lietadiel vyrobené z kompozitov z aktívnych uhlíkových vlákien sú schopné vydržať väčšie letové zaťaženie a zlepšiť bezpečnosť a spoľahlivosť lietadla. V oblasti športového tovaru, ako sú rámy bicyklov, golfové palice atď., môžu kompozity s aktívnym uhlíkovým vláknom poskytnúť lepšiu pevnosť a tuhosť pri súčasnom znížení hmotnosti a zlepšení skúseností športovcov.
Pokiaľ ide o odolnosť proti korózii, vďaka zavedeniu reaktívnych funkčných skupín na povrch vlákien aktívneho uhlia môžu tieto funkčné skupiny vytvárať stabilnejšie chemické väzby s materiálom matrice, čím sa zlepšuje odolnosť kompozitov proti korózii. V niektorých drsných podmienkach prostredia, ako je morské prostredie, chemický priemysel atď., sa aktivujekompozity z uhlíkových vlákienmôže lepšie odolávať erózii korozívnych médií a predĺžiť životnosť. To má veľký význam pre niektoré zariadenia a konštrukcie, ktoré sa dlhodobo používajú v drsnom prostredí.
Pokiaľ ide o tepelnú stabilitu, dobrá medzifázová väzba medzi aktívnym uhlíkovým vláknom a matricovým materiálom môže zlepšiť tepelnú stabilitu kompozitov. V prostredí s vysokou teplotou si kompozity môžu zachovať lepšie mechanické vlastnosti a rozmerovú stabilitu a sú menej náchylné na deformáciu a poškodenie. Vďaka tomu majú kompozity s aktívnym uhlíkovým vláknom široké možnosti použitia vo vysokoteplotných aplikáciách, ako sú časti automobilových motorov a časti horúcich koncov leteckých motorov.
Čo sa týka spracovateľského výkonu, vlákna aktívneho uhlia majú zvýšenú povrchovú aktivitu a lepšiu kompatibilitu s materiálom matrice. To uľahčuje infiltráciu a vytvrdzovanie matricového materiálu na povrchu uhlíkového vlákna počas prípravy kompozitného materiálu, čím sa zlepšuje účinnosť spracovania a kvalita produktu. Súčasne je tiež vylepšená navrhovateľnosť kompozitov s aktívnym uhlíkovým vláknom, čo umožňuje ich prispôsobenie pre rôzne aplikácie a splnenie rôznych zložitých technických požiadaviek.
Preto aktivačná liečbauhlíkové vláknaje kľúčovým článkom pri príprave vysokovýkonných kompozitov z uhlíkových vlákien. Prostredníctvom aktivačného spracovania je možné zlepšiť povrchovú štruktúru uhlíkových vlákien, aby sa zvýšila drsnosť povrchu, zaviedli aktívne funkčné skupiny a zlepšila sa povrchová energia, aby sa zlepšila medzifázová väzbová sila medzi uhlíkovými vláknami a matricovým materiálom a položil sa základ. na prípravu kompozitov z uhlíkových vlákien s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, odolnosťou proti korózii, tepelnou stabilitou a spracovateľským výkonom. S neustálym pokrokom vedy a techniky sa verí, že technológia aktivácie uhlíkových vlákien bude pokračovať v inováciách a vývoji, čím bude poskytovať silnejšiu podporu pre široké použitie kompozitov z uhlíkových vlákien.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (aj whatsapp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adresa: NO.398 New Green Road Xinbang Town District Songjiang, Šanghaj
Čas odoslania: 04.09.2024