Perawatan permukaan serat karbon: meningkatkan kinerja material komposit
Serat karbon diubah dari serat organik melalui serangkaian proses perlakuan panas. Kandungan karbonnya melebihi 90%. Serat karbon merupakan serat anorganik berkinerja tinggi dan material baru dengan sifat mekanik yang sangat baik. Serat karbon tidak hanya mewarisi sifat bawaan material karbon, tetapi juga menggabungkan fleksibilitas dan kemampuan proses serat tekstil. Serat karbon dianggap sebagai generasi baru serat penguat dan digunakan di banyak bidang teknologi tinggi.
Sebagai penguat, meskipun memiliki serangkaian karakteristik kinerja yang sangat baik, serat karbon juga disertai dengan beberapa tantangan yang harus dihadapi. Karena strukturnya yang seperti grafit, permukaannya bersifat inert secara kimia, dan sulit untuk menyusup ke resin dan bereaksi secara kimia. Permukaannya sulit untuk bergabung dengan resin, yang pada gilirannya memengaruhi kekuatan material komposit. Oleh karena itu, perlu dilakukan perawatan permukaan serat karbon, menghilangkan kotoran pada permukaan serat karbon, membuat alur pada permukaan serat karbon atau membentuk pori mikro untuk menambah luas permukaan, mengubah sifat permukaan serat karbon, menambah gugus fungsi polar dan aktivasi permukaan pada permukaan serat karbon, kemudian lebih mudah untuk menyusup dan bereaksi secara kimia, sehingga antarmuka material komposit lebih erat terhubung dan kekuatannya meningkat.
Ada banyak metode untuk perawatan permukaan serat karbon, terutama meliputi oksidasi fase gas, oksidasi fase cair, oksidasi elektrokimia, perawatan pelapisan agen penggandeng, perawatan plasma, teknologi modifikasi cangkok, dll. Di antara semuanya, oksidasi fase gas saat ini merupakan metode yang paling umum digunakan, dan oksidasi elektrokimia saat ini merupakan satu-satunya teknologi yang dapat dioperasikan secara online terus menerus selama persiapan serat karbon, dan kinerja keseluruhan komposit berbasis resin yang diperkuat serat karbon yang dirawat dengan oksidasi elektrokimia ditingkatkan.
(1) Metode oksidasi fase gas
Metode oksidasi fase gas meliputi oksidasi udara, oksidasi ozon, dll.
Metode oksidasi udara adalah metode menempatkan serat karbon di udara dengan kelembaban relatif tertentu untuk perawatan suhu tinggi guna mengoksidasi permukaan serat karbon dengan suhu tinggi. Setelah oksidasi, unsur nonkarbon pada permukaan serat karbon meningkat, yang bermanfaat untuk meningkatkan daya basah serat dan ikatan resin.
(2) Metode oksidasi fase cair
Metode oksidasi fase cair adalah dengan menggunakan asam nitrat pekat, asam sulfat pekat, hidrogen peroksida, dan oksidan lainnya untuk menghubungi serat karbon dalam waktu lama guna membentuk gugus karboksil, hidroksil, dan gugus lainnya pada permukaan serat guna meningkatkan ikatan dengan resin.
(3) Metode oksidasi elektrokimia
Oksidasi elektrokimia adalah metode perawatan permukaan serat karbon dengan menggunakan sifat konduktif serat karbon sebagai anoda dan grafit, pelat tembaga, atau pelat nikel sebagai katoda di bawah aksi medan listrik DC dan menggunakan berbagai larutan asam, alkali, dan garam sebagai elektrolit. Efek dari perlakuan oksidasi elektrokimia permukaan adalah proses gabungan dari oksidasi, etsa, dan perubahan gugus fungsi lapis demi lapis.
(4) Metode perlakuan pelapisan agen penggandeng
Agen penggandeng memiliki gugus fungsi ganda dalam struktur kimianya, yang memungkinkannya bereaksi secara kimia dengan permukaan serat dan resin. Beberapa gugus fungsi dapat membentuk ikatan kimia dengan permukaan serat, sedangkan gugus fungsi lainnya dapat bereaksi secara kimia dengan resin. Melalui tindakan mediasi kimia tersebut, agen penggandeng dapat menghubungkan resin dan permukaan serat dengan erat, sehingga meningkatkan kinerja material secara keseluruhan. Dengan menggunakan agen penggandeng, tidak hanya kekuatan dan daya tahan material dapat ditingkatkan, tetapi juga daya rekat dan ketahanannya terhadap korosi kimia dapat ditingkatkan.
(5) Metode perlakuan plasma
Teknologi plasma terutama menggunakan pelepasan muatan, getaran elektromagnetik frekuensi tinggi, gelombang kejut, dan radiasi berenergi tinggi untuk menghasilkan plasma dalam kondisi gas inert atau gas yang mengandung oksigen untuk merawat permukaan material.
(6) Teknologi modifikasi cangkok
Dengan mencangkok nano-piramida heksagonal silikon karbida, adhesi antarmuka antara serat karbon dan resin dapat ditingkatkan secara signifikan, yang tidak hanya meningkatkan sifat mekanis bahan komposit serat karbon, tetapi juga meningkatkan kinerja gesekannya. Teknologi ini telah diterapkan pada pembuatan cakram rem.
Dengan memilih metode perawatan permukaan yang sesuai, sifat permukaan serat karbon dapat ditingkatkan, dan ikatannya dengan bahan matriks dapat ditingkatkan, sehingga meningkatkan kinerja keseluruhan bahan komposit.