การเคลือบพื้นผิวด้วยคาร์บอนไฟเบอร์: เพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิต

เส้นใยคาร์บอนถูกแปลงจากเส้นใยอินทรีย์ผ่านกระบวนการให้ความร้อนหลายชุด โดยมีปริมาณคาร์บอนเกิน 90% เป็นเส้นใยอนินทรีย์ประสิทธิภาพสูงและเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม เส้นใยคาร์บอนไม่เพียงแต่สืบทอดคุณสมบัติโดยธรรมชาติของวัสดุคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังผสมผสานความยืดหยุ่นและความสามารถในการแปรรูปของเส้นใยสิ่งทอเข้าด้วยกันอีกด้วย ถือเป็นเส้นใยเสริมแรงรุ่นใหม่และใช้ในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงหลายแห่ง

แม้ว่าจะเป็นวัสดุเสริมแรง แต่ก็มาพร้อมกับความท้าทายบางประการที่ต้องเผชิญ เนื่องจากโครงสร้างคล้ายกราไฟต์ พื้นผิวจึงเฉื่อยทางเคมี และยากต่อการแทรกซึมเข้าไปในเรซินและทำปฏิกิริยาทางเคมี ยากที่พื้นผิวจะรวมเข้ากับเรซิน ซึ่งจะส่งผลต่อความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องบำบัดพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ กำจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ กัดร่องบนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์หรือสร้างรูพรุนขนาดเล็กเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว เปลี่ยนคุณสมบัติพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ เพิ่มกลุ่มฟังก์ชันขั้วและการกระตุ้นพื้นผิวบนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ จากนั้นจึงแทรกซึมและทำปฏิกิริยาทางเคมีได้ง่ายขึ้น ทำให้ส่วนต่อประสานของวัสดุคอมโพสิตเชื่อมต่อกันแน่นขึ้นและเพิ่มความแข็งแรง

มีวิธีการมากมายสำหรับการบำบัดพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ โดยส่วนใหญ่รวมถึงการออกซิเดชันในเฟสก๊าซ ออกซิเดชันในเฟสของเหลว ออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมี การบำบัดด้วยสารจับคู่ การบำบัดด้วยพลาสมา เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนการปลูกถ่าย เป็นต้น ในหมู่พวกเขา ออกซิเดชันในเฟสก๊าซเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน และออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีเป็นเทคโนโลยีเดียวในปัจจุบันที่สามารถดำเนินการออนไลน์อย่างต่อเนื่องระหว่างการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ และประสิทธิภาพโดยรวมของคอมโพสิตที่ใช้เรซินเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผ่านการบำบัดด้วยการออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีก็ได้รับการปรับปรุง

(1) วิธีการออกซิเดชันในเฟสก๊าซ

วิธีการออกซิเดชันในเฟสก๊าซ ได้แก่ ออกซิเดชันในอากาศ ออกซิเดชันในโอโซน เป็นต้น

วิธีการออกซิเดชันในอากาศเป็นวิธีการวางคาร์บอนไฟเบอร์ในอากาศที่มีความชื้นสัมพัทธ์บางอย่างสำหรับการบำบัดที่อุณหภูมิสูงเพื่อออกซิไดซ์พื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ด้วยอุณหภูมิสูง หลังจากออกซิเดชันแล้ว องค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนบนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์จะเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงการเปียกของเส้นใยและพันธะเรซิน

(2) วิธีการออกซิเดชันในเฟสของเหลว

วิธีการออกซิเดชันในเฟสของเหลวคือการใช้กรดไนตริกเข้มข้น กรดซัลฟิวริกเข้มข้น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และสารออกซิไดเซอร์อื่นๆ เพื่อสัมผัสกับคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเวลานานเพื่อสร้างคาร์บอกซิล ไฮดรอกซิล และกลุ่มอื่นๆ บนพื้นผิวของเส้นใยเพื่อเพิ่มพันธะกับเรซิน
(3) วิธีการออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมี

ออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีเป็นวิธีการบำบัดพื้นผิวของเส้นใยคาร์บอนโดยใช้คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของเส้นใยคาร์บอนเป็นขั้วบวก และกราไฟท์ แผ่นทองแดงหรือแผ่นนิกเกิลเป็นขั้วลบภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้ากระแสตรง และใช้สารละลายกรด ด่าง และเกลือต่าง ๆ เป็นอิเล็กโทรไลต์ ผลของการบำบัดออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีพื้นผิวเป็นกระบวนการผสมของการกัดออกซิเดชันแบบชั้นต่อชั้นและการเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชัน

(4) วิธีการบำบัดด้วยการเคลือบสารจับคู่

สารจับคู่มีหมู่ฟังก์ชันคู่ในโครงสร้างทางเคมี ซึ่งทำให้สามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับพื้นผิวเส้นใยและเรซินได้ หมู่ฟังก์ชันบางหมู่สามารถสร้างพันธะเคมีกับพื้นผิวเส้นใยได้ ในขณะที่หมู่ฟังก์ชันอื่น ๆ สามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับเรซินได้ ผ่านการกระทำที่เป็นสื่อกลางทางเคมีดังกล่าว สารจับคู่สามารถเชื่อมต่อเรซินและพื้นผิวเส้นใยได้อย่างแน่นหนา จึงทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุดีขึ้น การใช้สารจับคู่ไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความทนทานของวัสดุได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มการยึดเกาะและความต้านทานต่อการกัดกร่อนทางเคมีได้อีกด้วย

(5) วิธีการบำบัดด้วยพลาสม่า

เทคโนโลยีพลาสม่าใช้การคายประจุ การสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง คลื่นกระแทก และรังสีพลังงานสูงเป็นหลักในการสร้างพลาสม่าภายใต้สภาวะก๊าซเฉื่อยหรือก๊าซที่มีออกซิเจนเพื่อบำบัดพื้นผิวของวัสดุ

(6) เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนการต่อกิ่ง

การต่อกิ่งพีระมิดนาโนหกเหลี่ยมของซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถปรับปรุงการยึดเกาะของส่วนต่อประสานระหว่างเส้นใยคาร์บอนและเรซินได้อย่างมาก ซึ่งไม่เพียงแต่เพิ่มคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงประสิทธิภาพการเสียดทานอีกด้วย เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ในการผลิตดิสก์เบรก

การเลือกวิธีการบำบัดพื้นผิวที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของเส้นใยคาร์บอน และเพิ่มการยึดติดกับวัสดุเมทริกซ์ได้ จึงปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิตได้