Nell'attuale era di rapido progresso tecnologico, i compositi in fibra di carbonio si stanno affermando in una vasta gamma di settori grazie alle loro prestazioni superiori. Dalle applicazioni di fascia alta nel settore aerospaziale alle esigenze quotidiane degli articoli sportivi, i compositi in fibra di carbonio hanno mostrato un grande potenziale. Tuttavia, per preparare compositi in fibra di carbonio ad alte prestazioni, è necessario un trattamento di attivazione.fibre di carbonioè un passaggio cruciale.
Immagine al microscopio elettronico della superficie della fibra di carbonio
La fibra di carbonio, un materiale ad alte prestazioni, presenta numerose proprietà interessanti. È composta principalmente da carbonio e presenta una struttura filamentosa allungata. Dal punto di vista della struttura superficiale, la superficie della fibra di carbonio è relativamente liscia e presenta un minor numero di gruppi funzionali attivi. Ciò è dovuto al fatto che, durante la preparazione delle fibre di carbonio, la carbonizzazione ad alta temperatura e altri trattamenti conferiscono alla superficie delle fibre di carbonio uno stato più inerte. Questa proprietà superficiale comporta una serie di sfide nella preparazione dei compositi in fibra di carbonio.
La superficie liscia rende debole il legame tra la fibra di carbonio e il materiale della matrice. Nella preparazione dei compositi, è difficile per il materiale della matrice formare un legame forte sulla superficie delfibra di carbonio, che influisce sulle prestazioni complessive del materiale composito. In secondo luogo, la mancanza di gruppi funzionali attivi limita la reazione chimica tra le fibre di carbonio e i materiali della matrice. Questo fa sì che il legame interfacciale tra i due si basi principalmente su effetti fisici, come l'inclusione meccanica, ecc., che spesso non sono sufficientemente stabili e sono soggetti a separazione se sottoposti a forze esterne.
Schema del rinforzo interstrato del tessuto in fibra di carbonio mediante nanotubi di carbonio
Per risolvere questi problemi, diventa necessario il trattamento di attivazione delle fibre di carbonio. Attivatofibre di carboniomostrano cambiamenti significativi sotto diversi aspetti.
Il trattamento di attivazione aumenta la rugosità superficiale delle fibre di carbonio. Attraverso l'ossidazione chimica, il trattamento al plasma e altri metodi, è possibile incidere minuscole cavità e scanalature sulla superficie delle fibre di carbonio, rendendola ruvida. Questa superficie ruvida aumenta l'area di contatto tra la fibra di carbonio e il materiale del substrato, migliorando il legame meccanico tra i due. Quando il materiale della matrice viene legato alla fibra di carbonio, è in grado di integrarsi meglio in queste strutture ruvide, formando un legame più forte.
Il trattamento di attivazione può introdurre un'abbondanza di gruppi funzionali reattivi sulla superficie della fibra di carbonio. Questi gruppi funzionali possono reagire chimicamente con i corrispondenti gruppi funzionali nel materiale della matrice per formare legami chimici. Ad esempio, il trattamento di ossidazione può introdurre gruppi ossidrilici, gruppi carbossilici e altri gruppi funzionali sulla superficie delle fibre di carbonio, che possono reagire conepossidicagruppi nella matrice di resina e così via per formare legami covalenti. La forza di questo legame chimico è molto superiore a quella del legame fisico, il che migliora notevolmente la resistenza del legame interfacciale tra la fibra di carbonio e il materiale della matrice.
Anche l'energia superficiale della fibra di carbone attivo aumenta significativamente. L'aumento dell'energia superficiale facilita la bagnatura della fibra di carbonio da parte del materiale della matrice, facilitando così la distribuzione e la penetrazione del materiale della matrice sulla superficie della fibra di carbonio. Nel processo di preparazione dei compositi, il materiale della matrice può essere distribuito più uniformemente attorno alle fibre di carbonio per formare una struttura più densa. Ciò non solo migliora le proprietà meccaniche del materiale composito, ma ne migliora anche altre proprietà, come la resistenza alla corrosione e la stabilità termica.
Le fibre di carbone attivo presentano molteplici vantaggi per la preparazione di compositi in fibra di carbonio.
In termini di proprietà meccaniche, la forza di legame interfacciale tra l'attivatofibre di carbonioe il materiale della matrice è notevolmente migliorato, consentendo ai compositi di trasferire meglio le sollecitazioni quando sottoposti a forze esterne. Ciò significa che le proprietà meccaniche dei compositi, come resistenza e modulo elastico, sono significativamente migliorate. Ad esempio, nel settore aerospaziale, che richiede proprietà meccaniche estremamente elevate, i componenti di aeromobili realizzati con compositi in fibra di carbonio attivo sono in grado di sopportare carichi di volo maggiori e migliorare la sicurezza e l'affidabilità del velivolo. Nel settore degli articoli sportivi, come telai per biciclette, mazze da golf, ecc., i compositi in fibra di carbonio attivo possono offrire maggiore resistenza e rigidità, riducendo al contempo il peso e migliorando l'esperienza degli atleti.
In termini di resistenza alla corrosione, grazie all'introduzione di gruppi funzionali reattivi sulla superficie delle fibre di carbone attivo, questi possono formare legami chimici più stabili con il materiale della matrice, migliorando così la resistenza alla corrosione dei compositi. In alcune condizioni ambientali difficili, come l'ambiente marino, l'industria chimica, ecc., il carbone attivocompositi in fibra di carbonioPossono resistere meglio all'erosione dei fluidi corrosivi e prolungarne la durata utile. Questo è di grande importanza per alcune apparecchiature e strutture che vengono utilizzate in ambienti difficili per lungo tempo.
In termini di stabilità termica, un buon legame interfacciale tra la fibra di carbone attivo e il materiale della matrice può migliorare la stabilità termica dei compositi. In ambienti ad alta temperatura, i compositi possono mantenere migliori proprietà meccaniche e stabilità dimensionale, e sono meno soggetti a deformazioni e danni. Ciò rende i compositi in fibra di carbone attivo ampiamente applicabili in applicazioni ad alta temperatura, come componenti di motori automobilistici e componenti hot end di motori aeronautici.
In termini di prestazioni di lavorazione, le fibre di carbone attivo presentano una maggiore attività superficiale e una migliore compatibilità con il materiale della matrice. Ciò facilita l'infiltrazione e la polimerizzazione della matrice sulla superficie della fibra di carbonio durante la preparazione del materiale composito, migliorando così l'efficienza di lavorazione e la qualità del prodotto. Allo stesso tempo, anche la progettabilità dei compositi in fibra di carbone attivo risulta migliorata, consentendone la personalizzazione per diverse applicazioni e la soddisfazione di una varietà di requisiti ingegneristici complessi.
Pertanto, il trattamento di attivazione difibre di carbonioÈ un elemento chiave nella preparazione di compositi in fibra di carbonio ad alte prestazioni. Attraverso il trattamento di attivazione, la struttura superficiale della fibra di carbonio può essere migliorata per aumentarne la rugosità superficiale, introdurre gruppi funzionali attivi e migliorare l'energia superficiale, in modo da migliorare la resistenza del legame interfacciale tra fibra di carbonio e materiale della matrice e gettare le basi per la preparazione di compositi in fibra di carbonio con eccellenti proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione, stabilità termica e prestazioni di lavorazione. Con il continuo progresso scientifico e tecnologico, si ritiene che la tecnologia di attivazione della fibra di carbonio continuerà a innovarsi e svilupparsi, fornendo un supporto più forte all'ampia applicazione dei compositi in fibra di carbonio.
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Data di pubblicazione: 04/09/2024