Обработка поверхности углеродного волокна: улучшение характеристик композитного материала
Углеродное волокно преобразуется из органического волокна посредством ряда процессов термической обработки. Содержание углерода в нем превышает 90%. Это неорганическое высокопроизводительное волокно и новый материал с превосходными механическими свойствами. Углеродное волокно не только наследует присущие углеродным материалам свойства, но и сочетает в себе гибкость и обрабатываемость текстильных волокон. Оно рассматривается как новое поколение армирующего волокна и используется во многих высокотехнологичных областях.
В качестве армирования, хотя оно и обладает рядом превосходных эксплуатационных характеристик, оно также сопровождается некоторыми проблемами, с которыми необходимо столкнуться. Из-за графитоподобной структуры его поверхность химически инертна, и ему трудно проникать в смолу и вступать в химическую реакцию. Поверхности трудно соединяться со смолой, что, в свою очередь, влияет на прочность композитного материала. Поэтому необходимо обработать поверхность углеродного волокна, удалить загрязнения на поверхности углеродного волокна, протравить канавки на поверхности углеродного волокна или сформировать микропоры для увеличения площади поверхности, изменить поверхностные свойства углеродного волокна, увеличить полярные функциональные группы и активацию поверхности на поверхности углеродного волокна, и тогда легче будет пропитывать и химически реагировать, так что интерфейс композитного материала будет более плотно соединен, а прочность увеличится.
Существует много методов обработки поверхности углеродного волокна, в основном включая газофазное окисление, жидкофазное окисление, электрохимическое окисление, обработку покрытия связующим веществом, плазменную обработку, технологию модификации прививкой и т. д. Среди них газофазное окисление в настоящее время является наиболее часто используемым методом, а электрохимическое окисление в настоящее время является единственной технологией, которая может работать непрерывно в режиме онлайн во время подготовки углеродного волокна, и общая производительность композитов на основе смолы, армированных углеродным волокном, обработанных электрохимическим окислением, улучшается.
(1) Метод газофазного окисления
Методы газофазного окисления включают окисление воздухом, окисление озоном и т. д.
Метод воздушного окисления — это метод помещения углеродного волокна в воздух с определенной относительной влажностью для высокотемпературной обработки с целью окисления поверхности углеродного волокна высокой температурой. После окисления неуглеродные элементы на поверхности углеродного волокна увеличиваются, что полезно для улучшения смачиваемости волокна и связи со смолой.
(2) Метод жидкофазного окисления
Метод жидкофазного окисления заключается в использовании концентрированной азотной кислоты, концентрированной серной кислоты, перекиси водорода и других окислителей для длительного контакта с углеродным волокном с образованием карбоксильных, гидроксильных и других групп на поверхности волокна для улучшения связи со смолой.
(3) Метод электрохимического окисления
Электрохимическое окисление — это метод обработки поверхности углеродного волокна с использованием проводящих свойств углеродного волокна в качестве анода и графита, медной пластины или никелевой пластины в качестве катода под действием постоянного электрического поля и с использованием различных кислотных, щелочных и солевых растворов в качестве электролита. Эффект поверхностной электрохимической окислительной обработки представляет собой сложный процесс послойного окислительного травления и изменения функциональных групп.
(4) Метод обработки покрытия связующим агентом
Связующий агент имеет двойную функциональную группу в своей химической структуре, что позволяет ему химически реагировать с поверхностью волокна и смолой. Некоторые из функциональных групп могут образовывать химические связи с поверхностью волокна, в то время как другие функциональные группы могут химически реагировать со смолой. Благодаря такому химическому опосредованному действию связующий агент может прочно соединять смолу и поверхность волокна, тем самым повышая общую производительность материала. Используя связующий агент, можно не только улучшить прочность и долговечность материала, но также повысить его адгезию и устойчивость к химической коррозии.
(5) Метод плазменной обработки
Плазменная технология в основном использует разряд, высокочастотную электромагнитную вибрацию, ударную волну и высокоэнергетическое излучение для генерации плазмы в условиях инертного газа или кислородсодержащего газа для обработки поверхности материала.
(6) Технология модификации прививкой
Прививкой гексагональных нанопирамид карбида кремния можно значительно улучшить адгезию на границе раздела между углеродным волокном и смолой, что не только улучшает механические свойства композитных материалов из углеродного волокна, но и улучшает их фрикционные характеристики. Эта технология была применена для изготовления тормозных дисков.
Выбрав подходящий метод обработки поверхности, можно улучшить поверхностные свойства углеродного волокна и усилить его связь с материалом матрицы, тем самым улучшив общие характеристики композитного материала.