Varför aktivera kolfibrer för att förbereda kolfiberkompositer?

I dagens era av snabba tekniska framsteg gör kolfiberkompositer ett namn för sig själva inom ett brett spektrum av områden på grund av sin överlägsna prestanda. Kolfiberkompositer har visat stor potential, från avancerade applikationer inom rymd till de dagliga behoven av sportartiklar. Men för att förbereda högpresterande kolfiberkompositer, aktiveringsbehandling avkolfibrerär ett avgörande steg.

 Kolfiber yta elektronmikroskop bild

Kolfiber, ett högpresterande fibermaterial, har många övertygande egenskaper. Den består huvudsakligen av kol och har en långsträckt filamentstruktur. Ur ytstrukturens synvinkel är ytan av kolfiber relativt slät och har färre aktiva funktionella grupper. Detta beror på det faktum att under framställningen av kolfibrer, högtemperaturförkolning och andra behandlingar gör att ytan av kolfibrer presenterar ett mer inert tillstånd. Denna ytegenskap medför en rad utmaningar för framställningen av kolfiberkompositer.

Den släta ytan gör bindningen mellan kolfiber och matrismaterial svag. Vid framställning av kompositer är det svårt för matrismaterialet att bilda en stark bindning på ytan av matrisenkolfiber, vilket påverkar kompositmaterialets totala prestanda. För det andra begränsar bristen på aktiva funktionella grupper den kemiska reaktionen mellan kolfibrer och matrismaterial. Detta gör att gränssnittsbindningen mellan de två huvudsakligen beror på fysiska effekter, såsom mekanisk inbäddning, etc., som ofta inte är tillräckligt stabil och är benägen att separera när den utsätts för yttre krafter.

Schematiskt diagram över mellanskiktsförstärkning av kolfibertyg med kolnanorör

För att lösa dessa problem blir aktiveringsbehandling av kolfibrer nödvändig. Aktiveradkolfibrervisar betydande förändringar i flera aspekter.

Aktiveringsbehandling ökar ytråheten hos kolfibrer. Genom kemisk oxidation, plasmabehandling och andra metoder kan små gropar och spår etsas in i ytan av kolfibrer, vilket gör ytan grov. Denna grova yta ökar kontaktytan mellan kolfibern och substratmaterialet, vilket förbättrar den mekaniska bindningen mellan de två. När matrismaterialet är bundet till kolfibern är det bättre att bädda in sig i dessa grova strukturer, vilket bildar en starkare bindning.

Aktiveringsbehandlingen kan introducera ett överflöd av reaktiva funktionella grupper på ytan av kolfibern. Dessa funktionella grupper kan reagera kemiskt med motsvarande funktionella grupper i matrismaterialet för att bilda kemiska bindningar. Till exempel kan oxidationsbehandling introducera hydroxylgrupper, karboxylgrupper och andra funktionella grupper på ytan av kolfibrer, som kan reagera medepoxigrupper i hartsmatrisen och så vidare för att bilda kovalenta bindningar. Styrkan hos denna kemiska bindning är mycket högre än den hos fysisk bindning, vilket avsevärt förbättrar gränsytbindningsstyrkan mellan kolfibern och matrismaterialet.

Ytenergin hos den aktiva kolfibern ökar också avsevärt. Ökningen av ytenergi gör det lättare för kolfibern att vätas av matrismaterialet, vilket underlättar spridningen och penetrationen av matrismaterialet på kolfiberns yta. Vid framställning av kompositer kan matrismaterialet fördelas jämnare runt kolfibrerna för att bilda en tätare struktur. Detta förbättrar inte bara de mekaniska egenskaperna hos kompositmaterialet, utan förbättrar också dess andra egenskaper, såsom korrosionsbeständighet och termisk stabilitet.

Aktivt kolfiber har flera fördelar för framställning av kolfiberkompositer.

När det gäller mekaniska egenskaper, gränsytans bindningsstyrka mellan de aktiveradekolfibreroch matrismaterialet är avsevärt förbättrat, vilket gör det möjligt för kompositerna att bättre överföra spänningar när de utsätts för yttre krafter. Detta innebär att de mekaniska egenskaperna hos kompositer som hållfasthet och modul förbättras avsevärt. Till exempel, inom flyg- och rymdområdet, som kräver extremt höga mekaniska egenskaper, kan flygplansdelar tillverkade av aktiva kolfiberkompositer motstå större flygbelastningar och förbättra flygplanets säkerhet och tillförlitlighet. Inom området sportartiklar, såsom cykelramar, golfklubbor etc., kan kompositer av aktiverat kolfiber ge bättre styrka och styvhet, samtidigt som de minskar vikten och förbättrar idrottarnas upplevelse.

När det gäller korrosionsbeständighet, på grund av införandet av reaktiva funktionella grupper på ytan av aktiverade kolfibrer, kan dessa funktionella grupper bilda en mer stabil kemisk bindning med matrismaterialet, vilket förbättrar korrosionsbeständigheten hos kompositerna. I vissa hårda miljöförhållanden, såsom marin miljö, kemisk industri, etc., aktiveraskolfiberkompositerkan bättre motstå erosion av korrosiva media och förlänga livslängden. Detta har stor betydelse för viss utrustning och strukturer som används i tuffa miljöer under lång tid.

När det gäller termisk stabilitet kan bra gränsytebindning mellan aktiverad kolfiber och matrismaterial förbättra den termiska stabiliteten hos kompositer. Under högtemperaturmiljön kan kompositerna bibehålla bättre mekaniska egenskaper och dimensionsstabilitet och är mindre benägna att deformeras och skadas. Detta gör att de aktiverade kolfiberkompositerna har breda tillämpningsmöjligheter i högtemperaturtillämpningar, såsom motordelar till bilar och flygmotordelar.

När det gäller bearbetningsprestanda har de aktiverade kolfibrerna ökad ytaktivitet och bättre kompatibilitet med matrismaterialet. Detta gör det lättare för matrismaterialet att infiltrera och härda på ytan av kolfibern under framställningen av kompositmaterialet, vilket förbättrar bearbetningseffektiviteten och produktkvaliteten. Samtidigt förbättras designbarheten för kompositerna av aktiverade kolfiber, vilket gör att de kan anpassas för olika applikationer och möta en mängd komplexa tekniska krav.

Därför aktiveringsbehandling avkolfibrerär en nyckellänk i framställningen av högpresterande kolfiberkompositer. Genom aktiveringsbehandlingen kan kolfiberns ytstruktur förbättras för att öka ytjämnheten, introducera aktiva funktionella grupper och förbättra ytenergin, för att förbättra gränsytans bindningsstyrka mellan kolfiber och matrismaterial och lägga grunden för framställning av kolfiberkompositer med utmärkta mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet, termisk stabilitet och bearbetningsprestanda. Med den kontinuerliga utvecklingen av vetenskap och teknik, tros det att kolfiberaktiveringstekniken kommer att fortsätta att förnya och utvecklas, vilket ger starkare stöd för den breda tillämpningen av kolfiberkompositer.

Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368(även whatsapp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adress: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang District, Shanghai