I dagens era av snabba tekniska framsteg gör kolfiberkompositer sig ett namn inom en mängd olika områden tack vare sin överlägsna prestanda. Från avancerade tillämpningar inom flyg- och rymdfart till dagliga behov av sportartiklar har kolfiberkompositer visat stor potential. För att framställa högpresterande kolfiberkompositer krävs dock aktiveringsbehandling avkolfibrerär ett avgörande steg.
Bild av elektronmikroskop för kolfiberyta
Kolfiber, ett högpresterande fibermaterial, har många övertygande egenskaper. Det består huvudsakligen av kol och har en långsträckt filamentstruktur. Ur ytstruktursynpunkt är kolfiberns yta relativt slät och har färre aktiva funktionella grupper. Detta beror på att högtemperaturförkolning och andra behandlingar under framställningen av kolfibrer gör att kolfiberns yta uppvisar ett mer inert tillstånd. Denna ytegenskap medför en rad utmaningar vid framställningen av kolfiberkompositer.
Den släta ytan gör bindningen mellan kolfiber och matrismaterialet svag. Vid framställning av kompositer är det svårt för matrismaterialet att bilda en stark bindning på ytan avkolfiber, vilket påverkar kompositmaterialets övergripande 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 är beroende av fysiska effekter, såsom mekanisk inbäddning etc., som ofta inte är tillräckligt stabil och är benägen att separera när den utsätts för yttre krafter.
Schematisk bild av mellanlagerförstärkning av kolfiberduk med kolnanorör
För att lösa dessa problem blir aktiveringsbehandling av kolfibrer nödvändig. Aktiveradkolfibrervisa betydande förändringar i flera avseenden.
Aktiveringsbehandling ökar ytjämnheten 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 binds till kolfibern kan det bättre bädda in sig i dessa grova strukturer och bilda 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, vilka 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 gränsytans bindningsstyrka mellan kolfibern och matrismaterialet.
Ytenergin hos den aktiva kolfibern ökar också avsevärt. Ökningen av ytenergin 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 kompositmaterialets mekaniska egenskaper, utan förbättrar även dess andra egenskaper, såsom korrosionsbeständighet och termisk stabilitet.
Aktiva kolfibrer har flera fördelar för framställning av kolfiberkompositer.
När det gäller mekaniska egenskaper, gränsytans bindningsstyrka mellan det aktiveradekolfibreroch matrismaterialet förbättras avsevärt, vilket gör att kompositerna bättre kan överföra spänningar när de utsätts för yttre krafter. Detta innebär att kompositernas mekaniska egenskaper, såsom hållfasthet och modul, förbättras avsevärt. Till exempel, inom flyg- och rymdområdet, vilket kräver extremt höga mekaniska egenskaper, kan flygplansdelar tillverkade med aktiva kolfiberkompositer motstå större flygbelastningar och förbättra flygplanets säkerhet och tillförlitlighet. Inom sportartiklar, såsom cykelramar, golfklubbor etc., kan aktiva kolfiberkompositer ge bättre styrka och styvhet, samtidigt som de minskar vikten och förbättrar idrottares upplevelse.
När det gäller korrosionsbeständighet, på grund av införandet av reaktiva funktionella grupper på ytan av aktiva kolfibrer, kan dessa funktionella grupper bilda en mer stabil kemisk bindning med matrismaterialet, vilket förbättrar kompositernas korrosionsbeständighet. Under vissa tuffa miljöförhållanden, såsom marin miljö, kemisk industri etc., kan den aktiva kolfibernkolfiberkompositerkan bättre motstå erosionen från korrosiva medier och förlänga livslängden. Detta är av stor betydelse för viss utrustning och konstruktioner som används i tuffa miljöer under lång tid.
När det gäller termisk stabilitet kan god gränsytbindning mellan aktivt kolfiber och matrismaterial förbättra kompositernas termiska stabilitet. I högtemperaturmiljöer kan kompositerna bibehålla bättre mekaniska egenskaper och dimensionsstabilitet, och är mindre benägna att deformeras och skadas. Detta gör att kompositerna med aktivt kolfiber har breda tillämpningsmöjligheter i högtemperaturapplikationer, såsom fordonsmotordelar och heta ändar i flygmotorer.
När det gäller bearbetningsprestanda har de aktiva kolfibrerna ökad ytaktivitet och bättre kompatibilitet med matrismaterialet. Detta gör det lättare för matrismaterialet att infiltrera och härda på kolfiberns yta under beredningen av kompositmaterialet, vilket förbättrar bearbetningseffektiviteten och produktkvaliteten. Samtidigt förbättras även designbarheten hos kompositerna av aktiva kolfiber, vilket gör att de kan anpassas för olika tillämpningar och uppfylla en mängd olika komplexa tekniska krav.
Därför aktiveringsbehandling avkolfibrerär en viktig länk 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 kontinuerliga framsteg inom vetenskap och teknik tros det att kolfiberaktiveringstekniken kommer att fortsätta att förnya sig och utvecklas, vilket ger starkare stöd för den breda tillämpningen av kolfiberkompositer.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd.
M: +86 18683776368 (även whatsapp)
Tel: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adress: NO.398 New Green Road, Xinbang Town, Songjiang-distriktet, Shanghai
Publiceringstid: 4 september 2024