Trong thời đại công nghệ phát triển nhanh chóng ngày nay, vật liệu composite sợi carbon đang tạo dựng tên tuổi trong nhiều lĩnh vực nhờ hiệu suất vượt trội của chúng. Từ các ứng dụng cao cấp trong hàng không vũ trụ đến nhu cầu hàng ngày của đồ dùng thể thao, vật liệu composite sợi carbon đã cho thấy tiềm năng to lớn. Tuy nhiên, để chế tạo vật liệu composite sợi carbon hiệu suất cao, cần xử lý hoạt hóasợi carbonlà một bước quan trọng.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử bề mặt sợi carbon
Sợi carbon, một vật liệu sợi hiệu suất cao, có nhiều đặc tính hấp dẫn. Nó chủ yếu bao gồm carbon và có cấu trúc dạng sợi dài. Theo quan điểm về cấu trúc bề mặt, bề mặt của sợi carbon tương đối nhẵn và có ít nhóm chức năng hoạt động hơn. Điều này là do trong quá trình chế tạo sợi carbon, quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao và các phương pháp xử lý khác làm cho bề mặt của sợi carbon có trạng thái trơ hơn. Đặc tính bề mặt này mang đến một loạt thách thức cho quá trình chế tạo vật liệu composite sợi carbon.
Bề mặt nhẵn làm cho liên kết giữa sợi carbon và vật liệu nền yếu. Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, vật liệu nền khó có thể hình thành liên kết chắc chắn trên bề mặt củasợi carbon, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của vật liệu composite. Thứ hai, việc thiếu các nhóm chức năng hoạt động hạn chế phản ứng hóa học giữa sợi carbon và vật liệu nền. Điều này khiến liên kết giao diện giữa hai vật liệu chủ yếu dựa vào các tác động vật lý, chẳng hạn như nhúng cơ học, v.v., thường không đủ ổn định và dễ bị tách ra khi chịu tác động của lực bên ngoài.
Sơ đồ gia cường lớp xen kẽ của vải sợi carbon bằng ống nano carbon
Để giải quyết những vấn đề này, việc xử lý hoạt hóa sợi carbon trở nên cần thiết. Hoạt hóasợi carboncho thấy những thay đổi đáng kể ở nhiều khía cạnh.
Xử lý kích hoạt làm tăng độ nhám bề mặt của sợi carbon. Thông qua quá trình oxy hóa hóa học, xử lý plasma và các phương pháp khác, các hố và rãnh nhỏ có thể được khắc vào bề mặt của sợi carbon, làm cho bề mặt trở nên nhám. Bề mặt nhám này làm tăng diện tích tiếp xúc giữa sợi carbon và vật liệu nền, giúp cải thiện liên kết cơ học giữa hai vật liệu. Khi vật liệu nền được liên kết với sợi carbon, nó có khả năng nhúng tốt hơn vào các cấu trúc nhám này, tạo thành liên kết mạnh hơn.
Xử lý hoạt hóa có thể đưa vào bề mặt sợi carbon một lượng lớn các nhóm chức năng phản ứng. Các nhóm chức năng này có thể phản ứng hóa học với các nhóm chức năng tương ứng trong vật liệu nền để tạo thành các liên kết hóa học. Ví dụ, xử lý oxy hóa có thể đưa vào các nhóm hydroxyl, nhóm carboxyl và các nhóm chức năng khác trên bề mặt sợi carbon, có thể phản ứng vớinhựa epoxynhóm trong ma trận nhựa và cứ thế tạo thành liên kết cộng hóa trị. Độ bền của liên kết hóa học này cao hơn nhiều so với liên kết vật lý, giúp cải thiện đáng kể độ bền liên kết giao diện giữa sợi carbon và vật liệu ma trận.
Năng lượng bề mặt của sợi carbon hoạt tính cũng tăng lên đáng kể. Sự gia tăng năng lượng bề mặt làm cho sợi carbon dễ dàng được làm ướt bởi vật liệu nền, do đó tạo điều kiện cho vật liệu nền lan rộng và thâm nhập vào bề mặt sợi carbon. Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, vật liệu nền có thể được phân bổ đều hơn xung quanh các sợi carbon để tạo thành một cấu trúc dày đặc hơn. Điều này không chỉ cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu composite mà còn cải thiện các tính chất khác của nó, chẳng hạn như khả năng chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt.
Sợi carbon hoạt tính có nhiều ưu điểm trong việc chế tạo vật liệu composite sợi carbon.
Về mặt tính chất cơ học, cường độ liên kết giao diện giữa các chất hoạt hóasợi carbonvà vật liệu nền được cải thiện đáng kể, cho phép vật liệu composite truyền ứng suất tốt hơn khi chịu tác động của lực bên ngoài. Điều này có nghĩa là các tính chất cơ học của vật liệu composite như độ bền và mô đun được cải thiện đáng kể. Ví dụ, trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, đòi hỏi các tính chất cơ học cực kỳ cao, các bộ phận máy bay được làm bằng vật liệu composite sợi carbon hoạt tính có thể chịu được tải trọng bay lớn hơn và cải thiện độ an toàn và độ tin cậy của máy bay. Trong lĩnh vực đồ dùng thể thao, chẳng hạn như khung xe đạp, gậy đánh golf, v.v., vật liệu composite sợi carbon hoạt tính có thể cung cấp độ bền và độ cứng tốt hơn, đồng thời giảm trọng lượng và cải thiện trải nghiệm của vận động viên.
Về khả năng chống ăn mòn, do đưa các nhóm chức năng phản ứng vào bề mặt sợi than hoạt tính, các nhóm chức năng này có thể hình thành liên kết hóa học ổn định hơn với vật liệu nền, do đó cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu composite. Trong một số điều kiện môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như môi trường biển, công nghiệp hóa chất, v.v., các nhóm chức năng hoạt độngvật liệu composite sợi carboncó thể chống lại sự ăn mòn của môi trường ăn mòn tốt hơn và kéo dài tuổi thọ. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với một số thiết bị và cấu trúc được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt trong thời gian dài.
Về độ ổn định nhiệt, liên kết giao diện tốt giữa sợi carbon hoạt tính và vật liệu nền có thể cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu composite. Trong môi trường nhiệt độ cao, vật liệu composite có thể duy trì các tính chất cơ học và độ ổn định kích thước tốt hơn, đồng thời ít bị biến dạng và hư hỏng hơn. Điều này làm cho vật liệu composite sợi carbon hoạt tính có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhiệt độ cao, chẳng hạn như các bộ phận động cơ ô tô và các bộ phận đầu nóng của động cơ hàng không.
Về hiệu suất xử lý, sợi carbon hoạt tính có hoạt động bề mặt tăng lên và khả năng tương thích tốt hơn với vật liệu nền. Điều này giúp vật liệu nền dễ dàng thấm và đóng rắn trên bề mặt sợi carbon trong quá trình chế tạo vật liệu composite, do đó cải thiện hiệu quả xử lý và chất lượng sản phẩm. Đồng thời, khả năng thiết kế của vật liệu composite sợi carbon hoạt tính cũng được nâng cao, cho phép chúng được tùy chỉnh cho các ứng dụng khác nhau và đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp.
Do đó, xử lý kích hoạt củasợi carbonlà mắt xích then chốt trong quá trình chế tạo vật liệu composite sợi carbon hiệu suất cao. Thông qua quá trình xử lý hoạt hóa, cấu trúc bề mặt của sợi carbon có thể được cải thiện để tăng độ nhám bề mặt, đưa vào các nhóm chức năng hoạt động và cải thiện năng lượng bề mặt, để cải thiện cường độ liên kết giao diện giữa sợi carbon và vật liệu nền, và đặt nền tảng cho việc chế tạo vật liệu composite sợi carbon có tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn, độ ổn định nhiệt và hiệu suất xử lý tuyệt vời. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, người ta tin rằng công nghệ hoạt hóa sợi carbon sẽ tiếp tục đổi mới và phát triển, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho ứng dụng rộng rãi của vật liệu composite sợi carbon.
Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu mới Orisen Thượng Hải
M: +86 18683776368(cũng như whatsapp)
Điện thoại: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Địa chỉ: SỐ 398 Đường New Green, Thị trấn Xinbang, Quận Songjiang, Thượng Hải
Thời gian đăng: 04-09-2024