Traitement de surface en fibre de carbone : amélioration des performances des matériaux composites
La fibre de carbone est transformée à partir de fibres organiques par une série de processus de traitement thermique. Sa teneur en carbone dépasse 90 %. Il s’agit d’une fibre inorganique haute performance et d’un nouveau matériau doté d’excellentes propriétés mécaniques. La fibre de carbone hérite non seulement des propriétés inhérentes aux matériaux en carbone, mais combine également la flexibilité et la capacité de traitement des fibres textiles. Elle est considérée comme une nouvelle génération de fibres de renforcement et est utilisée dans de nombreux domaines de haute technologie.
En tant que renfort, bien qu’il présente une série d’excellentes caractéristiques de performance, il s’accompagne également de certains défis auxquels il faut faire face. En raison de sa structure semblable à celle du graphite, sa surface est chimiquement inerte et il est difficile de s’infiltrer dans la résine et de réagir chimiquement. Il est difficile pour la surface de se combiner à la résine, ce qui affecte à son tour la résistance du matériau composite. Par conséquent, il est nécessaire de traiter la surface de la fibre de carbone, d’éliminer les impuretés à la surface de la fibre de carbone, de graver des rainures à la surface de la fibre de carbone ou de former des micropores pour augmenter la surface, de modifier les propriétés de surface de la fibre de carbone, d’augmenter les groupes fonctionnels polaires et l’activation de surface à la surface de la fibre de carbone, puis il est plus facile de s’infiltrer et de réagir chimiquement, de sorte que l’interface du matériau composite soit plus étroitement connectée et que la résistance soit augmentée.
Il existe de nombreuses méthodes de traitement de surface des fibres de carbone, notamment l’oxydation en phase gazeuse, l’oxydation en phase liquide, l’oxydation électrochimique, le traitement de revêtement par agent de couplage, le traitement au plasma, la technologie de modification par greffage, etc. Parmi elles, l’oxydation en phase gazeuse est actuellement la méthode la plus couramment utilisée, et l’oxydation électrochimique est actuellement la seule technologie qui peut être exploitée en ligne en continu pendant la préparation des fibres de carbone, et les performances globales des composites à base de résine renforcée de fibres de carbone traités par oxydation électrochimique sont améliorées.
(1) Méthode d’oxydation en phase gazeuse
Les méthodes d’oxydation en phase gazeuse comprennent l’oxydation à l’air, l’oxydation à l’ozone, etc.
La méthode d’oxydation à l’air est une méthode consistant à placer la fibre de carbone dans l’air avec une certaine humidité relative pour un traitement à haute température afin d’oxyder la surface de la fibre de carbone par haute température. Après l’oxydation, les éléments non carbonés à la surface de la fibre de carbone augmentent, ce qui est bénéfique pour améliorer la mouillabilité de la fibre et la liaison de la résine.
(2) Méthode d’oxydation en phase liquide
La méthode d’oxydation en phase liquide consiste à utiliser de l’acide nitrique concentré, de l’acide sulfurique concentré, du peroxyde d’hydrogène et d’autres oxydants pour entrer en contact avec la fibre de carbone pendant une longue période afin de former des groupes carboxyle, hydroxyle et autres sur la surface de la fibre pour améliorer la liaison avec la résine.
(3) Méthode d’oxydation électrochimique
L’oxydation électrochimique est une méthode de traitement de la surface de la fibre de carbone en utilisant les propriétés conductrices de la fibre de carbone comme anode et du graphite, de la plaque de cuivre ou de la plaque de nickel comme cathode sous l’action d’un champ électrique continu et en utilisant différentes solutions acides, alcalines et salines comme électrolyte. L’effet du traitement d’oxydation électrochimique de surface est un processus composite de gravure par oxydation couche par couche et de changements de groupe fonctionnel.
(4) Méthode de traitement de revêtement par agent de couplage
L’agent de couplage possède un double groupe fonctionnel dans sa structure chimique, ce qui lui permet de réagir chimiquement avec la surface de la fibre et la résine. Certains des groupes fonctionnels peuvent former des liaisons chimiques avec la surface de la fibre, tandis que les autres groupes fonctionnels peuvent réagir chimiquement avec la résine. Grâce à une telle action de médiation chimique, l’agent de couplage peut relier étroitement la résine et la surface de la fibre, améliorant ainsi les performances globales du matériau. En utilisant un agent de couplage, non seulement la résistance et la durabilité du matériau peuvent être améliorées, mais également son adhérence et sa résistance à la corrosion chimique peuvent être augmentées.
(5) Méthode de traitement au plasma
La technologie plasma utilise principalement la décharge, la vibration électromagnétique à haute fréquence, l’onde de choc et le rayonnement à haute énergie pour générer du plasma dans des conditions de gaz inerte ou de gaz contenant de l’oxygène pour traiter la surface du matériau.
(6) Technologie de modification par greffage
En greffant les nano-pyramides hexagonales de carbure de silicium, l’adhérence interfaciale entre la fibre de carbone et la résine peut être considérablement améliorée, ce qui non seulement améliore les propriétés mécaniques des matériaux composites en fibre de carbone, mais améliore également leurs performances de frottement. Cette technologie a été appliquée à la fabrication de disques de frein.
En sélectionnant une méthode de traitement de surface appropriée, les propriétés de surface de la fibre de carbone peuvent être améliorées et sa liaison avec le matériau de la matrice peut être améliorée, améliorant ainsi les performances globales du matériau composite.