معالجة سطح ألياف الكربون: تحسين أداء المواد المركبة

ألياف الكربون تتحول من ألياف عضوية من خلال سلسلة من عمليات المعالجة الحرارية. يتجاوز محتوى الكربون فيها 90٪. إنها ألياف غير عضوية عالية الأداء ومادة جديدة ذات خصائص ميكانيكية ممتازة. لا ترث ألياف الكربون الخصائص المتأصلة لمواد الكربون فحسب، بل تجمع أيضًا بين مرونة وقابلية معالجة الألياف النسيجية. تعتبر جيلًا جديدًا من ألياف التعزيز وتستخدم في العديد من المجالات عالية التقنية.

كتعزيز، على الرغم من أنها تتمتع بسلسلة من خصائص الأداء الممتازة، إلا أنها مصحوبة أيضًا ببعض التحديات التي يجب مواجهتها. نظرًا للهيكل الشبيه بالجرافيت، فإن سطحها خامل كيميائيًا، ومن الصعب أن يتسلل الراتينج ويتفاعل كيميائيًا. من الصعب أن يتحد السطح مع الراتينج، مما يؤثر بدوره على قوة المادة المركبة. لذلك، من الضروري معالجة سطح ألياف الكربون، وإزالة الشوائب على سطح ألياف الكربون، وحفر أخاديد على سطح ألياف الكربون أو تكوين مسام دقيقة لزيادة مساحة السطح، وتغيير خصائص سطح ألياف الكربون، وزيادة المجموعات الوظيفية القطبية وتنشيط السطح على سطح ألياف الكربون، ومن ثم يسهل التسلل والتفاعل كيميائيًا، بحيث تكون واجهة المادة المركبة متصلة بشكل أكثر إحكامًا وتزداد القوة.

هناك العديد من الطرق لمعالجة سطح ألياف الكربون، بما في ذلك بشكل أساسي أكسدة الطور الغازي، وأكسدة الطور السائل، والأكسدة الكهروكيميائية، ومعالجة طلاء عامل الاقتران، ومعالجة البلازما، وتكنولوجيا تعديل التطعيم، وما إلى ذلك. من بينها، تعد أكسدة الطور الغازي حاليًا الطريقة الأكثر استخدامًا، والأكسدة الكهروكيميائية هي حاليًا التكنولوجيا الوحيدة التي يمكن تشغيلها عبر الإنترنت بشكل مستمر أثناء تحضير ألياف الكربون، ويتم تحسين الأداء العام للمركبات القائمة على الراتينج المعززة بألياف الكربون والمعالجة بالأكسدة الكهروكيميائية.

(1) طريقة أكسدة الطور الغازي

تتضمن طرق أكسدة الطور الغازي أكسدة الهواء وأكسدة الأوزون وما إلى ذلك.

طريقة أكسدة الهواء هي طريقة وضع ألياف الكربون في الهواء مع رطوبة نسبية معينة للمعالجة بدرجة حرارة عالية لأكسدة سطح ألياف الكربون بدرجة حرارة عالية. بعد الأكسدة، تزداد العناصر غير الكربونية على سطح ألياف الكربون، مما يفيد في تحسين قابلية الألياف للبلل وترابط الراتينج.

(2) طريقة أكسدة الطور السائل

طريقة أكسدة الطور السائل هي استخدام حمض النيتريك المركز وحمض الكبريتيك المركز وبيروكسيد الهيدروجين ومؤكسدات أخرى للتلامس مع ألياف الكربون لفترة طويلة لتكوين مجموعات الكربوكسيل والهيدروكسيل وغيرها على سطح الألياف لتعزيز الترابط مع الراتينج.

(3) طريقة الأكسدة الكهروكيميائية

الأكسدة الكهروكيميائية هي طريقة معالجة سطح ألياف الكربون باستخدام الخصائص الموصلة لألياف الكربون كأنود وجرافيت أو صفيحة نحاسية أو صفيحة نيكل ككاثود تحت تأثير مجال كهربائي مستمر واستخدام محاليل حمضية وقلوية وأملاح مختلفة كمحلول إلكتروليت. إن تأثير معالجة الأكسدة الكهروكيميائية للسطح هو عملية مركبة من الحفر المؤكسد طبقة تلو الأخرى وتغييرات المجموعة الوظيفية.

(4) طريقة معالجة طلاء عامل الاقتران

يحتوي عامل الاقتران على مجموعة وظيفية مزدوجة في بنيته الكيميائية، مما يمكنه من التفاعل كيميائيًا مع سطح الألياف والراتنج. يمكن لبعض المجموعات الوظيفية تكوين روابط كيميائية مع سطح الألياف، بينما يمكن للمجموعات الوظيفية الأخرى التفاعل كيميائيًا مع الراتنج. من خلال مثل هذا العمل الوسيط الكيميائي، يمكن لعامل الاقتران ربط الراتنج وسطح الألياف بإحكام، وبالتالي تعزيز الأداء العام للمادة. من خلال استخدام عامل اقتران، لا يمكن تحسين قوة ومتانة المادة فحسب، بل يمكن أيضًا زيادة التصاقها ومقاومتها للتآكل الكيميائي.

(5) طريقة معالجة البلازما

تستخدم تقنية البلازما بشكل أساسي التفريغ والاهتزاز الكهرومغناطيسي عالي التردد وموجات الصدمة والإشعاع عالي الطاقة لتوليد البلازما في ظل ظروف الغاز الخامل أو الغاز المحتوي على الأكسجين لمعالجة سطح المادة.

(6) تقنية تعديل التطعيم

من خلال تطعيم الأهرامات النانوية السداسية لكربيد السيليكون، يمكن تحسين التصاق الواجهة بين ألياف الكربون والراتنج بشكل كبير، مما لا يعزز الخصائص الميكانيكية لمواد ألياف الكربون المركبة فحسب، بل يحسن أيضًا من أداء الاحتكاك. تم تطبيق هذه التكنولوجيا على تصنيع أقراص الفرامل.

من خلال اختيار طريقة معالجة السطح المناسبة، يمكن تحسين خصائص سطح ألياف الكربون، ويمكن تعزيز ارتباطها بمادة المصفوفة، وبالتالي تحسين الأداء العام للمادة المركبة.