درمان سطح فیبر کربن: افزایش عملکرد مواد کامپوزیت

فیبر کربن از فیبر آلی از طریق یک سری فرآیندهای عملیات حرارتی تبدیل می شود. محتوای کربن آن بیش از 90٪ است. این یک فیبر معدنی با کارایی بالا و یک ماده جدید با خواص مکانیکی عالی است. فیبر کربن نه تنها خواص ذاتی مواد کربنی را به ارث می برد، بلکه انعطاف پذیری و پردازش پذیری الیاف نساجی را نیز ترکیب می کند. این به عنوان نسل جدیدی از الیاف تقویت کننده در نظر گرفته می شود و در بسیاری از زمینه های با تکنولوژی بالا استفاده می شود.

به عنوان یک تقویت کننده، اگرچه دارای یک سری ویژگی های عملکرد عالی است، اما با چالش هایی نیز همراه است که باید با آنها روبرو شد. به دلیل ساختار گرافیت مانند، سطح آن از نظر شیمیایی بی اثر است و نفوذ به رزین و واکنش شیمیایی دشوار است. ترکیب شدن سطح با رزین دشوار است که به نوبه خود بر استحکام مواد کامپوزیت تأثیر می گذارد. بنابراین لازم است سطح فیبر کربن را تصفیه کرد، ناخالصی‌های سطح الیاف کربن را حذف کرد، شیارهای روی سطح فیبر کربن را حک کرد یا منافذ ریز را برای افزایش سطح، تغییر خواص سطحی فیبر کربن ایجاد کرد. گروه‌های عاملی قطبی و فعال‌سازی سطح روی سطح فیبر کربن را افزایش داده و سپس نفوذ و واکنش شیمیایی آسان‌تر می‌شود، به طوری که سطح مشترک ماده کامپوزیت محکم‌تر به هم متصل شده و استحکام بیشتر می‌شود.

روش‌های زیادی برای تصفیه سطح فیبر کربن وجود دارد که عمدتاً شامل اکسیداسیون فاز گاز، اکسیداسیون فاز مایع، اکسیداسیون الکتروشیمیایی، عملیات پوشش‌دهی با عامل جفت‌کننده، عملیات پلاسما، فناوری اصلاح پیوند و غیره می‌شود. در این میان، اکسیداسیون فاز گازی رایج‌ترین روش در حال حاضر است. و اکسیداسیون الکتروشیمیایی در حال حاضر تنها فناوری است که می‌تواند به‌طور پیوسته در طول آماده‌سازی فیبر کربن به‌صورت آنلاین عمل کند، و عملکرد کلی کامپوزیت‌های مبتنی بر رزین تقویت‌شده با فیبر کربن که با اکسیداسیون الکتروشیمیایی تیمار شده‌اند، بهبود یافته است.

(1) روش اکسیداسیون فاز گاز

روش های اکسیداسیون فاز گاز شامل اکسیداسیون هوا، اکسیداسیون ازن و غیره است.

روش اکسیداسیون هوا روشی برای قرار دادن فیبر کربن در هوای با رطوبت نسبی معین برای عملیات حرارتی بالا برای اکسید شدن سطح فیبر کربن با دمای بالا است. پس از اکسیداسیون، عناصر غیر کربنی در سطح فیبر کربن افزایش می‌یابد که برای بهبود ترشوندگی الیاف و پیوند رزین مفید است.

(2) روش اکسیداسیون فاز مایع

روش اکسیداسیون فاز مایع استفاده از اسید نیتریک غلیظ، اسید سولفوریک غلیظ، پراکسید هیدروژن و سایر اکسیدان ها برای تماس طولانی مدت با فیبر کربن برای تشکیل کربوکسیل، هیدروکسیل و گروه های دیگر روی سطح الیاف است تا پیوند با رزین را تقویت کند.

(3) روش اکسیداسیون الکتروشیمیایی

اکسیداسیون الکتروشیمیایی روشی برای تصفیه سطح فیبر کربن با استفاده از خواص رسانایی فیبر کربن به عنوان آند و گرافیت، صفحه مسی یا ورق نیکل به عنوان کاتد تحت اثر میدان الکتریکی DC و با استفاده از اسید، قلیایی و نمک مختلف است. محلول ها به عنوان الکترولیت اثر عملیات اکسیداسیون الکتروشیمیایی سطحی یک فرآیند ترکیبی از اچینگ اکسیداسیون لایه به لایه و تغییرات گروه عملکردی است.

(4) روش درمان پوشش عامل جفت

عامل کوپلینگ دارای یک گروه عملکردی دوگانه در ساختار شیمیایی خود است که آن را قادر می سازد تا با سطح الیاف و رزین واکنش شیمیایی نشان دهد. برخی از گروه های عاملی می توانند با سطح الیاف پیوندهای شیمیایی ایجاد کنند، در حالی که سایر گروه های عاملی می توانند با رزین واکنش شیمیایی دهند. از طریق چنین اقدام میانجی شیمیایی، عامل جفت کننده می تواند رزین و سطح الیاف را محکم به هم متصل کند و در نتیجه عملکرد کلی ماده را افزایش دهد. با استفاده از کوپلینگ نه تنها می توان استحکام و دوام مواد را بهبود بخشید، بلکه چسبندگی و مقاومت آن را در برابر خوردگی شیمیایی افزایش داد.

(5) روش درمان پلاسما

فناوری پلاسما عمدتاً از تخلیه، ارتعاش الکترومغناطیسی با فرکانس بالا، موج ضربه و تشعشعات پرانرژی برای تولید پلاسما در شرایط گاز بی اثر یا گاز حاوی اکسیژن برای تصفیه سطح مواد استفاده می کند.

(6) فناوری اصلاح پیوند

با پیوند نانو هرم های شش ضلعی کاربید سیلیکون، چسبندگی سطحی بین فیبر کربن و رزین را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد، که نه تنها خواص مکانیکی مواد کامپوزیتی فیبر کربن را افزایش می دهد، بلکه عملکرد اصطکاک آنها را نیز بهبود می بخشد. این فناوری در ساخت دیسک های ترمز به کار گرفته شده است.

با انتخاب یک روش درمان سطحی مناسب، می توان خواص سطحی فیبر کربن را بهبود بخشید و پیوند آن با مواد ماتریس را افزایش داد و در نتیجه عملکرد کلی ماده کامپوزیت را بهبود بخشید.