Tratamento de superfície de fibra de carbono: melhorando o desempenho do material compósito
A fibra de carbono é transformada a partir de fibra orgânica através de uma série de processos de tratamento térmico. O seu conteúdo de carbono excede os 90%. É uma fibra inorgânica de alto desempenho e um novo material com excelentes propriedades mecânicas. A fibra de carbono não só herda as propriedades inerentes dos materiais de carbono, como também combina a flexibilidade e a processabilidade das fibras têxteis. É considerada uma nova geração de fibra de reforço e é utilizada em muitos campos de alta tecnologia.
Como reforço, embora apresente uma série de excelentes características de desempenho, é também acompanhado de alguns desafios que devem ser enfrentados. Devido à estrutura semelhante à grafite, a sua superfície é quimicamente inerte e é difícil infiltrar-se na resina e reagir quimicamente. É difícil que a superfície se combine com a resina, o que por sua vez afeta a resistência do material compósito. Por conseguinte, é necessário tratar a superfície da fibra de carbono, remover as impurezas da superfície da fibra de carbono, gravar ranhuras na superfície da fibra de carbono ou formar microporos para aumentar a área superficial, alterar as propriedades superficiais da fibra de carbono, aumentar os grupos funcionais polares e a ativação superficial na superfície da fibra de carbono, e depois é mais fácil infiltrar-se e reagir quimicamente, de modo a que a interface do material compósito fique mais firmemente ligada e a resistência seja aumentada.
Existem muitos métodos para o tratamento de superfícies de fibras de carbono, incluindo principalmente a oxidação em fase gasosa, a oxidação em fase líquida, a oxidação eletroquímica, o tratamento de revestimento com agente de acoplamento, o tratamento de plasma, a tecnologia de modificação de enxerto, etc. a oxidação eletroquímica é atualmente a única tecnologia que pode ser operada online continuamente durante a preparação da fibra de carbono, e o desempenho global dos compósitos à base de resina reforçados com fibra de carbono tratados com oxidação eletroquímica é melhorado.
(1) Método de oxidação em fase gasosa
Os métodos de oxidação em fase gasosa incluem a oxidação do ar, a oxidação do ozono, etc.
O método de oxidação do ar é um método de colocar fibra de carbono no ar com uma determinada humidade relativa para tratamento a alta temperatura para oxidar a superfície da fibra de carbono a alta temperatura. Após a oxidação, os elementos não-carbono na superfície da fibra de carbono aumentam, o que é benéfico para melhorar a molhabilidade da fibra e a ligação da resina.
(2) Método de oxidação em fase líquida
O método de oxidação em fase líquida consiste em utilizar ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado, peróxido de hidrogénio e outros oxidantes para entrar em contacto com a fibra de carbono durante muito tempo para formar carboxila, hidroxila e outros grupos na superfície da fibra para melhorar a ligação com a resina.
(3) Método de oxidação eletroquímica
A oxidação eletroquímica é um método de tratamento da superfície da fibra de carbono utilizando as propriedades condutoras da fibra de carbono como ânodo e grafite, placa de cobre ou placa de níquel como cátodo sob a ação de um campo elétrico DC e utilizando diferentes ácidos, álcalis e sal soluções como eletrólito. O efeito do tratamento de oxidação eletroquímica de superfície é um processo composto por corrosão por oxidação camada a camada e alterações de grupos funcionais.
(4) Método de tratamento do revestimento com agente de acoplamento
O agente de acoplamento possui um duplo grupo funcional na sua estrutura química, o que lhe permite reagir quimicamente com a superfície da fibra e a resina. Alguns dos grupos funcionais podem formar ligações químicas com a superfície da fibra, enquanto outros grupos funcionais podem reagir quimicamente com a resina. Através desta ação química mediadora, o agente de acoplamento pode ligar firmemente a resina e a superfície da fibra, melhorando assim o desempenho global do material. Ao utilizar um agente de acoplamento, não só a resistência e a durabilidade do material podem ser melhoradas, como também a sua adesão e resistência à corrosão química podem ser aumentadas.
(5) Método de tratamento com plasma
A tecnologia de plasma utiliza principalmente descarga, vibração eletromagnética de alta frequência, ondas de choque e radiação de alta energia para gerar plasma sob condições de gás inerte ou gás contendo oxigénio para tratar a superfície do material.
(6) Tecnologia de modificação do enxerto
Ao enxertar as nanopirâmides hexagonais de carboneto de silício, a adesão interfacial entre a fibra de carbono e a resina pode ser significativamente melhorada, o que não só melhora as propriedades mecânicas dos materiais compósitos de fibra de carbono, como também melhora o seu desempenho de fricção . Esta tecnologia tem sido aplicada no fabrico de discos de travão.
Ao selecionar um método de tratamento de superfície adequado, as propriedades superficiais da fibra de carbono podem ser melhoradas e a sua ligação com o material da matriz pode ser melhorada, melhorando assim o desempenho global do material compósito.