Tratamiento de superficies de fibra de carbono: mejora del rendimiento de los materiales compuestos
La fibra de carbono se transforma a partir de fibra orgánica mediante una serie de procesos de tratamiento térmico. Su contenido de carbono supera el 90%. Es una fibra inorgánica de alto rendimiento y un nuevo material con excelentes propiedades mecánicas. La fibra de carbono no solo hereda las propiedades inherentes de los materiales de carbono, sino que también combina la flexibilidad y procesabilidad de las fibras textiles. Se considera una nueva generación de fibra de refuerzo y se utiliza en muchos campos de alta tecnología.
Como refuerzo, aunque tiene una serie de excelentes características de rendimiento, también viene acompañado de algunos desafíos que deben afrontarse. Debido a la estructura similar al grafito, su superficie es químicamente inerte y es difícil que la resina se infiltre y reaccione químicamente. Es difícil que la superficie se combine con la resina, lo que a su vez afecta la resistencia del material compuesto. Por lo tanto, es necesario tratar la superficie de la fibra de carbono, eliminar las impurezas de la superficie de la fibra de carbono, grabar ranuras en la superficie de la fibra de carbono o formar microporos para aumentar el área de superficie, cambiar las propiedades de la superficie de la fibra de carbono, aumentar los grupos funcionales polares y la activación de la superficie en la superficie de la fibra de carbono, y luego es más fácil infiltrarse y reaccionar químicamente, de modo que la interfaz del material compuesto esté más estrechamente conectada y se aumente la resistencia.
Existen muchos métodos para el tratamiento de la superficie de la fibra de carbono, que incluyen principalmente la oxidación en fase gaseosa, la oxidación en fase líquida, la oxidación electroquímica, el tratamiento de recubrimiento con agente de acoplamiento, el tratamiento con plasma, la tecnología de modificación de injertos, etc. Entre ellos, la oxidación en fase gaseosa es actualmente el método más utilizado, y la oxidación electroquímica es actualmente la única tecnología que se puede operar en línea de forma continua durante la preparación de la fibra de carbono, y se mejora el rendimiento general de los compuestos a base de resina reforzada con fibra de carbono tratados con oxidación electroquímica.
(1) Método de oxidación en fase gaseosa
Los métodos de oxidación en fase gaseosa incluyen la oxidación con aire, la oxidación con ozono, etc.
El método de oxidación con aire es un método que consiste en colocar la fibra de carbono en el aire con una humedad relativa determinada para un tratamiento a alta temperatura con el fin de oxidar la superficie de la fibra de carbono a alta temperatura. Después de la oxidación, los elementos no carbonados en la superficie de la fibra de carbono aumentan, lo que es beneficioso para mejorar la humectabilidad de la fibra y la unión de la resina.
(2) Método de oxidación en fase líquida
El método de oxidación en fase líquida consiste en utilizar ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado, peróxido de hidrógeno y otros oxidantes para poner en contacto la fibra de carbono durante un tiempo prolongado para formar grupos carboxilo, hidroxilo y otros grupos en la superficie de la fibra para mejorar la unión con la resina.
(3) Método de oxidación electroquímica
La oxidación electroquímica es un método para tratar la superficie de la fibra de carbono utilizando las propiedades conductoras de la fibra de carbono como ánodo y grafito, placa de cobre o placa de níquel como cátodo bajo la acción de un campo eléctrico de CC y utilizando diferentes soluciones de ácido, álcali y sal como electrolito. El efecto del tratamiento de oxidación electroquímica de la superficie es un proceso compuesto de grabado por oxidación capa por capa y cambios de grupos funcionales.
(4) Método de tratamiento de recubrimiento con agente de acoplamiento
El agente de acoplamiento tiene un grupo funcional doble en su estructura química, lo que le permite reaccionar químicamente con la superficie de la fibra y la resina. Algunos de los grupos funcionales pueden formar enlaces químicos con la superficie de la fibra, mientras que los otros grupos funcionales pueden reaccionar químicamente con la resina. A través de esta acción de mediación química, el agente de acoplamiento puede conectar firmemente la resina y la superficie de la fibra, mejorando así el rendimiento general del material. Al utilizar un agente de acoplamiento, no solo se puede mejorar la resistencia y la durabilidad del material, sino que también se puede aumentar su adhesión y resistencia a la corrosión química.
(5) Método de tratamiento con plasma
La tecnología de plasma utiliza principalmente descarga, vibración electromagnética de alta frecuencia, ondas de choque y radiación de alta energía para generar plasma en condiciones de gas inerte o gas que contiene oxígeno para tratar la superficie del material.
(6) Tecnología de modificación por injerto
Al injertar las nanopirámides hexagonales de carburo de silicio, se puede mejorar significativamente la adhesión interfacial entre la fibra de carbono y la resina, lo que no solo mejora las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de fibra de carbono, sino que también mejora su rendimiento de fricción. Esta tecnología se ha aplicado a la fabricación de discos de freno.
Al seleccionar un método de tratamiento de superficie adecuado, se pueden mejorar las propiedades de la superficie de la fibra de carbono y se puede mejorar su unión con el material de la matriz, mejorando así el rendimiento general del material compuesto.