À l'ère des avancées technologiques rapides, les composites en fibre de carbone s'imposent dans de nombreux domaines grâce à leurs performances supérieures. Des applications haut de gamme de l'aérospatiale aux besoins quotidiens des articles de sport, ils présentent un fort potentiel. Cependant, pour obtenir des composites en fibre de carbone hautes performances, un traitement d'activation est nécessaire.fibres de carboneest une étape cruciale.
Image de microscope électronique de surface en fibre de carbone
La fibre de carbone, matériau fibreux haute performance, présente de nombreuses propriétés intéressantes. Principalement composée de carbone, elle présente une structure filamentaire allongée. Sa surface est relativement lisse et comporte moins de groupes fonctionnels actifs. Cela est dû au fait que, lors de la préparation des fibres de carbone, la carbonisation à haute température et d'autres traitements confèrent à la surface un état plus inerte. Cette propriété de surface pose de nombreux défis pour la préparation des composites en fibres de carbone.
La surface lisse fragilise la liaison entre la fibre de carbone et le matériau de la matrice. Lors de la préparation des composites, il est difficile pour le matériau de la matrice de former une liaison solide à la surface.fibre de carbone, ce qui affecte les performances globales du matériau composite. Deuxièmement, l'absence de groupes fonctionnels actifs limite la réaction chimique entre les fibres de carbone et les matériaux de la matrice. De ce fait, la liaison interfaciale entre les deux repose principalement sur des effets physiques, tels que l'encastrement mécanique, qui sont souvent instables et susceptibles de se séparer sous l'effet de forces externes.
Schéma du renforcement intercouche d'un tissu en fibre de carbone par des nanotubes de carbone
Afin de résoudre ces problèmes, un traitement d'activation des fibres de carbone devient nécessaire.fibres de carbonemontrent des changements significatifs dans plusieurs aspects.
Le traitement d'activation augmente la rugosité de surface des fibres de carbone. Grâce à l'oxydation chimique, au traitement plasma et à d'autres méthodes, de minuscules creux et rainures peuvent être gravés à la surface des fibres de carbone, la rendant rugueuse. Cette surface rugueuse augmente la surface de contact entre la fibre de carbone et le substrat, améliorant ainsi la liaison mécanique entre les deux. Lorsque le matériau de la matrice est lié à la fibre de carbone, il s'intègre mieux à ces structures rugueuses, formant ainsi une liaison plus solide.
Le traitement d'activation peut introduire une multitude de groupes fonctionnels réactifs à la surface de la fibre de carbone. Ces groupes fonctionnels peuvent réagir chimiquement avec les groupes fonctionnels correspondants dans le matériau de la matrice pour former des liaisons chimiques. Par exemple, le traitement d'oxydation peut introduire des groupes hydroxyles, des groupes carboxyles et d'autres groupes fonctionnels à la surface des fibres de carbone, qui peuvent réagir avec lesépoxyLes groupes dans la matrice de résine, etc., forment des liaisons covalentes. La force de cette liaison chimique est bien supérieure à celle de la liaison physique, ce qui améliore considérablement la résistance de la liaison interfaciale entre la fibre de carbone et le matériau de la matrice.
L'énergie de surface de la fibre de carbone activée augmente également de manière significative. Cette augmentation facilite le mouillage de la fibre de carbone par le matériau de la matrice, ce qui facilite son étalement et sa pénétration à sa surface. Lors de la préparation des composites, le matériau de la matrice peut être réparti plus uniformément autour des fibres de carbone pour former une structure plus dense. Cela améliore non seulement les propriétés mécaniques du matériau composite, mais aussi ses autres propriétés, telles que la résistance à la corrosion et la stabilité thermique.
Les fibres de carbone activées présentent de multiples avantages pour la préparation de composites en fibres de carbone.
En termes de propriétés mécaniques, la force de liaison interfaciale entre lesfibres de carboneLe matériau de la matrice est considérablement amélioré, ce qui permet aux composites de mieux transférer les contraintes lorsqu'ils sont soumis à des forces externes. Cela signifie que les propriétés mécaniques des composites, telles que la résistance et le module, sont considérablement améliorées. Par exemple, dans le secteur aérospatial, qui exige des propriétés mécaniques extrêmement élevées, les pièces d'avion fabriquées en composites de fibres de carbone activées peuvent supporter des charges de vol plus importantes et améliorer la sécurité et la fiabilité de l'appareil. Dans le domaine des articles de sport, tels que les cadres de vélo, les clubs de golf, etc., les composites de fibres de carbone activées peuvent offrir une meilleure résistance et une meilleure rigidité, tout en réduisant le poids et en améliorant l'expérience des athlètes.
En termes de résistance à la corrosion, l'introduction de groupes fonctionnels réactifs à la surface des fibres de carbone activé permet à ces groupes de former une liaison chimique plus stable avec le matériau de la matrice, améliorant ainsi la résistance à la corrosion des composites. Dans certaines conditions environnementales difficiles, comme le milieu marin, l'industrie chimique, etc., le carbone activécomposites en fibre de carboneIls peuvent mieux résister à l'érosion des milieux corrosifs et prolonger leur durée de vie. Ceci est particulièrement important pour certains équipements et structures utilisés en environnements difficiles pendant une longue période.
En termes de stabilité thermique, une bonne liaison interfaciale entre la fibre de carbone activée et le matériau de la matrice peut améliorer la stabilité thermique des composites. À haute température, les composites conservent de meilleures propriétés mécaniques et une meilleure stabilité dimensionnelle, et sont moins sujets à la déformation et aux dommages. Les composites à base de fibre de carbone activée offrent donc de vastes perspectives d'application dans les applications haute température, telles que les pièces de moteurs automobiles et les pièces de moteurs d'avions.
En termes de performances de mise en œuvre, les fibres de carbone actif présentent une activité de surface accrue et une meilleure compatibilité avec le matériau de la matrice. Cela facilite l'infiltration et le durcissement de la matrice à la surface de la fibre de carbone lors de la préparation du composite, améliorant ainsi l'efficacité de mise en œuvre et la qualité du produit. Parallèlement, la conception des composites en fibres de carbone actif est optimisée, ce qui permet de les personnaliser pour différentes applications et de répondre à des exigences techniques complexes.
Par conséquent, le traitement d'activation defibres de carboneL'activation est un élément clé de la préparation de composites en fibre de carbone hautes performances. Grâce au traitement d'activation, la structure de surface de la fibre de carbone peut être améliorée pour augmenter sa rugosité, introduire des groupes fonctionnels actifs et améliorer son énergie de surface. Cela améliore la résistance de la liaison interfaciale entre la fibre de carbone et le matériau de la matrice, et pose les bases de la préparation de composites en fibre de carbone dotés d'excellentes propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion, de stabilité thermique et de performances de mise en œuvre. Grâce aux progrès constants de la science et de la technologie, la technologie d'activation de la fibre de carbone devrait continuer à innover et à se développer, offrant ainsi un soutien accru à une large application des composites en fibre de carbone.
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Date de publication : 4 septembre 2024