Xử lý bề mặt sợi carbon: nâng cao hiệu suất vật liệu composite
Sợi carbon được chuyển đổi từ sợi hữu cơ thông qua một loạt các quy trình xử lý nhiệt. Hàm lượng carbon của nó vượt quá 90%. Đây là một loại sợi vô cơ hiệu suất cao và là một vật liệu mới có các tính chất cơ học tuyệt vời. Sợi carbon không chỉ kế thừa các tính chất vốn có của vật liệu carbon mà còn kết hợp tính linh hoạt và khả năng gia công của sợi dệt. Nó được coi là một thế hệ sợi gia cường mới và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao.
Là một vật liệu gia cường, mặc dù nó có một loạt các đặc tính hiệu suất tuyệt vời, nhưng nó cũng đi kèm với một số thách thức phải đối mặt. Do cấu trúc giống như than chì, bề mặt của nó trơ về mặt hóa học và khó thấm nhựa và phản ứng hóa học. Bề mặt khó kết hợp với nhựa, điều này ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu composite. Do đó, cần phải xử lý bề mặt sợi carbon, loại bỏ tạp chất trên bề mặt sợi carbon, khắc rãnh trên bề mặt sợi carbon hoặc tạo lỗ rỗng siêu nhỏ để tăng diện tích bề mặt, thay đổi tính chất bề mặt của sợi carbon, tăng nhóm chức phân cực và hoạt hóa bề mặt trên bề mặt sợi carbon, sau đó dễ dàng thấm và phản ứng hóa học hơn, do đó giao diện của vật liệu composite được kết nối chặt chẽ hơn và tăng cường độ.
Có nhiều phương pháp xử lý bề mặt sợi carbon, chủ yếu bao gồm oxy hóa pha khí, oxy hóa pha lỏng, oxy hóa điện hóa, xử lý phủ chất kết dính, xử lý plasma, công nghệ biến tính ghép, v.v. Trong số đó, oxy hóa pha khí hiện là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất và oxy hóa điện hóa hiện là công nghệ duy nhất có thể vận hành trực tuyến liên tục trong quá trình chế tạo sợi carbon và hiệu suất tổng thể của vật liệu composite gốc nhựa gia cường sợi carbon được xử lý bằng oxy hóa điện hóa được cải thiện.
(1) Phương pháp oxy hóa pha khí
Phương pháp oxy hóa pha khí bao gồm oxy hóa không khí, oxy hóa ozon, v.v.
Phương pháp oxy hóa không khí là phương pháp đặt sợi carbon trong không khí có độ ẩm tương đối nhất định để xử lý ở nhiệt độ cao để oxy hóa bề mặt sợi carbon bằng nhiệt độ cao. Sau khi oxy hóa, các thành phần không phải carbon trên bề mặt sợi carbon tăng lên, có lợi cho việc cải thiện khả năng thấm ướt của sợi và liên kết nhựa.
(2) Phương pháp oxy hóa pha lỏng
Phương pháp oxy hóa pha lỏng là sử dụng axit nitric đậm đặc, axit sunfuric đậm đặc, hydro peroxide và các chất oxy hóa khác để tiếp xúc với sợi carbon trong thời gian dài để tạo thành nhóm carboxyl, hydroxyl và các nhóm khác trên bề mặt sợi để tăng cường liên kết với nhựa.
(3) Phương pháp oxy hóa điện hóa
Oxy hóa điện hóa là phương pháp xử lý bề mặt sợi carbon bằng cách sử dụng các tính chất dẫn điện của sợi carbon làm cực dương và than chì, tấm đồng hoặc tấm niken làm cực âm dưới tác động của trường điện DC và sử dụng các dung dịch axit, kiềm và muối khác nhau làm chất điện phân. Hiệu ứng của quá trình xử lý oxy hóa điện hóa bề mặt là quá trình tổng hợp của quá trình khắc oxy hóa từng lớp và thay đổi nhóm chức năng.
(4) Phương pháp xử lý phủ chất kết dính
Chất kết dính có nhóm chức năng kép trong cấu trúc hóa học của nó, cho phép nó phản ứng hóa học với bề mặt sợi và nhựa. Một số nhóm chức năng có thể hình thành liên kết hóa học với bề mặt sợi, trong khi các nhóm chức năng khác có thể phản ứng hóa học với nhựa. Thông qua hoạt động trung gian hóa học như vậy, chất kết dính có thể kết nối chặt chẽ nhựa và bề mặt sợi, do đó nâng cao hiệu suất tổng thể của vật liệu. Bằng cách sử dụng chất kết dính, không chỉ có thể cải thiện độ bền và độ bền của vật liệu mà còn có thể tăng độ bám dính và khả năng chống ăn mòn hóa học của vật liệu.
(5) Phương pháp xử lý plasma
Công nghệ plasma chủ yếu sử dụng phóng điện, rung điện từ tần số cao, sóng xung kích và bức xạ năng lượng cao để tạo ra plasma trong điều kiện khí trơ hoặc khí chứa oxy để xử lý bề mặt vật liệu.
(6) Công nghệ biến đổi ghép
Bằng cách ghép các nano-kim tự tháp lục giác của silicon carbide, độ bám dính giao diện giữa sợi carbon và nhựa có thể được tăng cường đáng kể, không chỉ tăng cường các tính chất cơ học của vật liệu composite sợi carbon mà còn cải thiện hiệu suất ma sát của chúng. Công nghệ này đã được áp dụng để sản xuất đĩa phanh.
Bằng cách lựa chọn phương pháp xử lý bề mặt phù hợp, các tính chất bề mặt của sợi carbon có thể được cải thiện và liên kết của nó với vật liệu nền có thể được tăng cường, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể của vật liệu composite.