Na era atual de rápido avanço tecnológico, os compósitos de fibra de carbono estão se destacando em uma ampla gama de campos devido ao seu desempenho superior. De aplicações de ponta na indústria aeroespacial às necessidades diárias de artigos esportivos, os compósitos de fibra de carbono têm demonstrado grande potencial. No entanto, 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 fibroso de alto desempenho, possui muitas propriedades interessantes. É composta principalmente de carbono e possui uma estrutura filamentosa alongada. Do ponto de vista da estrutura da superfície, 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. Essa propriedade da superfície traz uma série de desafios para a preparação de compósitos de fibra de carbono.
A superfície lisa enfraquece 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 compósito.fibra de carbono, o que afeta o desempenho geral do material compósito. Em segundo lugar, a ausência de grupos funcionais ativos limita a reação 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 são estáveis o suficiente e estão sujeitos à separação quando submetidos a forças externas.
Diagrama esquemático do reforço intercalar de tecido de fibra de carbono por nanotubos de carbono
Para solucionar esses problemas, torna-se necessário o tratamento de ativação das fibras de carbono.fibras de carbonoapresentam mudanças significativas em vários aspectos.
O tratamento de ativação aumenta a rugosidade da superfície das fibras de carbono. Por meio de oxidação química, tratamento de plasma e outros métodos, pequenas cavidades e sulcos podem ser gravados na superfície das fibras de carbono, tornando-as rugosas. Essa rugosidade aumenta a área de contato 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 se integra melhor a essas estruturas rugosas, formando uma ligação mais forte.
O tratamento de ativação pode introduzir uma abundância de grupos funcionais reativos na superfície da fibra de carbono. Esses 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 aepóxigrupos na matriz de resina e assim por diante, formando ligações covalentes. A força dessa ligação química é muito maior do que a da ligação física, o que melhora significativamente a força de ligação interfacial entre a fibra de carbono e o material da matriz.
A energia de superfície da fibra de carbono ativada também aumenta significativamente. O aumento da energia de superfície facilita a umedecimento da fibra de carbono 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 forma mais uniforme ao redor das fibras de carbono, formando uma estrutura mais densa. Isso não apenas melhora as propriedades mecânicas do material compósito, mas também suas outras propriedades, como resistência à corrosão e estabilidade térmica.
As fibras de carvão ativado têm 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 carbonoO material da matriz é significativamente aprimorado, permitindo que os compósitos transfiram melhor as tensões quando submetidos a forças externas. Isso significa que as propriedades mecânicas dos compósitos, como resistência e módulo, são significativamente aprimoradas. Por exemplo, na área aeroespacial, que exige propriedades mecânicas extremamente elevadas, 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 maior resistência e rigidez, reduzindo o peso e melhorando a experiência dos atletas.
Em termos de resistência à corrosão, devido à introdução de grupos funcionais reativos na superfície das fibras de carvão 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., os grupos funcionais ativadoscompósitos de fibra de carbonopode resistir melhor à erosão de meios corrosivos e prolongar a vida útil. Isso é de grande importância para alguns equipamentos e estruturas que são utilizados em ambientes agressivos por longos períodos.
Em termos de estabilidade térmica, uma boa ligação interfacial entre a fibra de carvão ativado e o material da matriz pode melhorar a estabilidade térmica dos compósitos. Em ambientes de alta temperatura, os compósitos conseguem manter melhores propriedades mecânicas e estabilidade dimensional, além de serem menos propensos a deformações e danos. Isso faz com que os compósitos de fibra de carvão ativado tenham amplas perspectivas de aplicação em aplicações de alta temperatura, como peças de motores automotivos e peças de extremidades 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. Isso facilita a infiltração e a 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 carvão 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 da superfície da fibra de carbono pode ser aprimorada para aumentar a rugosidade da superfície, introduzir grupos funcionais ativos e melhorar a energia da superfície, de modo a melhorar a resistência da ligação interfacial entre a fibra de carbono e o material da matriz, estabelecendo assim 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 da fibra de carbono continuará a inovar e se desenvolver, fornecendo um suporte mais sólido para a ampla aplicação de compósitos de fibra de carbono.
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Horário da publicação: 04/09/2024