ملخص:

هذه المقالة تعرض بنية وخصائص ألياف الكربون، فضلا عن الطرق الشائعة لمعالجة سطحها.كما يلخص مجالات تطبيق ألياف الكربون والحالة الحالية واتجاهات تطوير ألياف الكربون في الصين.

1مقدمة

ألياف الكربون هي مادة الكربون الليفية ذات كثافة أقل من الألومنيوم المعدني ولكنها أقوى من الصلب. كما أنها تتميز بمقاومة التآكل وحدة عالية.تمتلك كل من الخصائص "الصلبة" المتأصلة للمواد الكربونية وقابلية تصنيع الألياف النسيجية (كونها "مرنة")، وهو يمثل جيل جديد من المواد المتقدمة ذات الاستخدام المزدوج (العسكري والمدني) ، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والفضاء الجوي والنقل والسلع الرياضية والترفيه والأجهزة الطبية والآلات،المنسوجاتصناعة ألياف الكربون تلعب دورا هاما في تحديث الصناعات الركيزة في البلدان المتقدمة وحتى في تحسين الجودة العامة للاقتصادات الوطنية.كما أنه له أهمية كبيرة لإعادة الهيكلة الصناعية وتحسين المواد التقليدية في الصين [1].

1.1 بنية ألياف الكربون

الألياف الكربونية لها الهيكل الأساسي للجرافيت ، ولكن ليس هيكل شبكة الجرافيت المثالي ؛ بدلاً من ذلك ، فإنها تمتلك ما يعرف بهيكل الجرافيت التوربستراتيكي (انظر الشكل 1-1).الوحدات الأساسية التي تشكل الهيكل البوليكريستالي هي شبكات طبقة ذرات الكربون، والتي تشكل مستويات طبقات. داخل مستويات الطبقات ، يتم ربط ذرات الكربون بالروابط المتماثلة القوية مع طول الرابطة من 0.1421 نانومتر ؛ بين مستويات الطبقات ، تعمل قوى فان دير فال الضعيفة ،مع مسافة بين الطبقات تتراوح من 0.3360 نانومتر إلى 0.3440 نانومتر. ذرات الكربون بين الطبقات ليس لها مواقع ثابتة منتظمة، مما يؤدي إلى حواف طبقة غير متساوية. بالمقارنة مع بنية الجرافيت،تتعرض طبقات ذرات الكربون في ألياف الكربون للانتقال والتناوب غير المنتظم، ولكن طبقات ذرات الكربون المرتبطة بالاتصال السكني السادسية متوازية بشكل أساسي مع محور الألياف ، مما يعطي الألياف نموذج سحب محوري مرتفع للغاية.في هيكل الجرافيت التوربستراتيكي، طبقات الجرافيت هي الوحدات الهيكلية الأساسية، التي تتقاطع مع بعضها البعض. عدة إلى عشرات الطبقات تشكل بلورات الجرافيت،والتي بدورها تشكل ألياف قطرها حوالي 50 نانومتر وطولها عدة مئات من النانووأخيراً، تشكل هذه الألياف أحاديات من ألياف الكربون الفردية، عادةً ما تكون قطرها 6-8 ميكرو متراً.

1.2 تشكيل ألياف الكربون

أثناء تكوين ألياف الكربون ، تتشكل عيبات صغيرة مختلفة على السطح. وذلك لأن عددًا كبيرًا من العناصر والغازات المختلفة (مثل ثاني أكسيد الكربون ،CO، H2O، NH3، H2، N2) يتم إنشاؤها والهروب، مما يؤدي إلى فراغات وعيوب على سطح الألياف والداخلية.الفراغات والعيوب التي تشكل على سطح الألياف والداخلية تصبح أكثر حدةتشمل العيوب الرئيسية التي لوحظت في ألياف الكربون خمسة أنواع: الثقوب المركزية، والفراغات الثنائية الشكل، والإدماج، والمسام الشبيهة بالإبرة، والشقوق السطحية.الطوابق القاعدية البلورية الدقيقة حول العيوب السطحية تتوافق مع شكل العيبفي الألياف الكربونيةذرات الكربون على حواف طبقات الجرافيت وتلك الموجودة في المواقع المعيبة على السطح تختلف عن ذرات الكربون القاعدية سليمة داخل الطبقات. ذرات الكربون القاعدية داخل الطبقات تعاني من قوى متماثلة ، ولديها طاقة ارتباط عالية ، وتعرض لفاعلية منخفضة.ذرات الكربون في حواف السطح وعيوب السطح تعاني من قوى غير متماثلة، تمتلك إلكترونات غير مقترنة ، وهي أكثر نشاطًا. وبالتالي ، فإن نشاط سطح ألياف الكربون يرتبط بعدد ذرات الكربون في الحواف ومواقع العيوب.

1.3 خصائص ألياف الكربون

ألياف الكربون لديها كثافة منخفضة، وزنها خفيف، موصلة كهربائية جيدة، غير مغناطيسية، تمتلك قدرات الحماية من الموجات الكهرومغناطيسية، وتعرض إمكانية نقل الأشعة السينية الجيدة.في السنوات الأخيرة، بسبب انخفاض تكاليف ألياف الكربون والتقدم في تكنولوجيا تصنيع المواد المركبة ، أصبحت نقطة بحث ساخنة للمواد المركبة للدرع الكهرومغناطيسي.يتضمن التركيب الكيميائي الكلي لألياف الكربون عناصر مثل C، N ، O ، H ، ونفايات المعادن ، في حين أن التكوين الكيميائي للسطح هو C ، O ، H. بالإضافة إلى ذلك ، توجد بعض الجماعات المتفاعلة القطبية مثل الجماعات الكيتونية والكاربوكسيل والهيدروكسيل على السطح ،لكن كميتهم صغيرة جداًونتيجة لذلك ، فإن ألياف الكربون غير المعالجة لها سطح ناعم ، وتفاعلية منخفضة ، ومساحة سطح محددة صغيرة (عادة أقل من 1 م2 · غ - 1) ، زاوية رطوبة كبيرة في الماء ، والهيدروفوبيسية ،والخصائص السيئة للاتصال والتشتتواستفادة من حقيقة أن ألياف الكربون يمكن أن تتأكسدة بواسطة عوامل أكسدة والأكسجين في الهواء عند درجات حرارة عالية،عناصر الكربون السطحية يمكن أن تُأكسدة إلى مجموعات تحتوي على الأكسجين، وبالتالي تحسين الالتصاق بين الواجهات ، والتربة ، والاستقرار الكيميائي لألياف الكربون.

2التقدم البحثي في معالجة سطح ألياف الكربون

أثناء التحضير ، تخضع ألياف الكربون لعلاج الكربون في غلاف جوي غازي خامل بدرجة حرارة عالية. عندما تخرج العناصر غير الكربونية وتصبح الكربون غنية ،يقل عدد المجموعات الوظيفية النشطة على سطح ألياف الكربون، وتتدهور قابلية الرطوبة مع الراتنج المصفوف. علاوة على ذلك ، لتحسين قوة الشد لألياف الكربون ، يجب تقليل العيوب السطحية قدر الإمكان ،مما يؤدي إلى مساحة سطح محددة صغيرةهذا السطح الناعم يؤدي إلى ضعف تأثير الارتكاز مع المصفوفة،الحد من قوة واجهة ألياف الكربون المركبة والحد من اللعب الكامل لأداء الألياف الكربونية العاليلذلك لتحسين الالتصاق بين ألياف الكربون ومواد المصفوفة واستغلال خصائص قوة عالية وحدة عالية من ألياف الكربون ،تعديل سطح ألياف الكربون ضروري لتعزيز قابلية الرطوبة والتماسك مع المصفوفة، وبالتالي تحسين أداء ربط الواجهة من المركب.

تعديل سطح ألياف الكربون يمكن أن يحقق التأثيرات الثلاث التالية:

• منع تكوين طبقات الواجهة الضعيفة. تتضمن طبقات الواجهة الضعيفة بشكل رئيسي الشوائب الممتصة ومواد الإفراج ؛ طبقات الأكسيد ، طبقات الهيدرات التي تتشكل أثناء شيخوخة الواجهة.وطبقات الهواء عالقة بسبب عدم كفاية الرطوبة مع المصفوفة.

• توليد تشكيل سطحي مناسب للالتصاق ، وخلق ظهور على سطح مادة التعزيز لتحسين أداء ربط الواجهة من خلال تأثير الارتكاز.

• تحسين التقارب بين الراتنج ومواد التعزيز عن طريق طلاء سطح مواد التعزيز بعامل تغطية قطبي معتدل ،أو بمعالجة كيميائية على السطح لإدخال مجموعات وظيفية، وبالتالي تحسين أداء ربط الواجهة.

في الوقت الحاضر ، فإن الطرق الرئيسية المستخدمة لتعديل سطح ألياف الكربون تشمل معالجة الأكسدة ، ومعالجة الطلاء ، ومعالجة البلازما ، ومعالجة ترسب البخار الكيميائي ،معالجة الزرع السطحي، ومعالجة السوائل فوق الحرجة.

2.1 معالجة الأكسدة في مرحلة الغاز

معالجة الأكسدة هي نهج مهم لتحسين وتنظيم خصائص سطح ألياف الكربون. من خلال معالجة الأكسدة، المجموعات التي تحتوي على الأكسجين مثل الكربوكسيل، هيدروكسيل،ويمكن أن تتولد مجموعات الكربونيل على سطح الألياف، مما يسمح للتفاعلات الكيميائية بين الألياف والشبكة الراتنجية لتشكيل رابطة الواجهة.هذه الطريقة يمكن أن تضر أيضا بنية ألياف الكربون وتؤثر على خصائصها الفيزيائية والكيميائية، لذلك يجب التحكم بعناية في وقت الأكسدة. يتضمن معالجة الأكسدة بشكل رئيسي ثلاث طرق: الأكسدة في المرحلة الغازية ، الأكسدة في المرحلة السائلة ، والأكسدة الكهروكيميائية.تستخدم الأكسدة في المرحلة الغازية غازات أكسدة لتأكسيد سطح الألياف، إدخال مجموعات القطبية (مثل -OH ، إلخ) وتوفير الخام المناسب لتحسين قوة القطع بين المكونات المركبة. عند استخدام أكسدة الهواء ،درجة حرارة الأكسدة لها تأثير كبير على نتيجة المعالجة[2-3] معالجة ألياف الكربون باستخدام أكسدة الهواء وأكسدة الأوزون، على التوالي، ومن ثم البوليمرة لهم لإنتاج ألياف الكربون / polyetheretherketone (PEEK) المركبات.أظهرت النتائج أنه بعد أكسدة الأوزونمع وقت أكسدة 3 دقائق،زيادة قوة القطع بين الوجهين (IFSS) في مركب CF / PEEK بنسبة 60 ٪ مقارنة مع غير المعالجةمقارنة مع معالجة أكسدة الهواء، كان علاج أكسدة الأوزون أكثر فعالية.

الأكسدة الكهروكيميائية عادةً ما تنطوي على استخدام ألياف الكربون كمنطقي في محلول الكهربائي،التحكم في حالة الأكسدة السطحية عن طريق تغيير المعلمات مثل درجة حرارة التفاعلكما هو الحال مع معالجات الأكسدة الأخرى ، يقدم الأكسدة الكهروكيميائية مجموعات وظيفية مختلفة (إستر ، كاربوكسيل ، هيدروكسيل ، إلخ).) على سطح الألياف، وبالتالي تحسين رطوبة الألياف، وخصائص الالتصاق، والربط مع المصفوفة، وزيادة كبيرة في الخصائص الميكانيكية من الألياف الكربونية المعززة المركبات.هناك العديد من التقارير عن الأكسدة الكهروكيميائية لأطراف ألياف الكربونويتضمن المحتوى أساسا تأثير ظروف الأكسدة، وخصائص ومورفولوجيا سطح ألياف الكربون بعد الأكسدة، وآليات الأكسدة.[4] ألياف الكربون المأكسدة الكهروكيميائيا في مركب (NH4HCO3) / ((NH4) 2C2O4·H2Oأظهرت النتائج أن المجموعات الوظيفية التي تحتوي على الأكسجين والنيتروجين على سطح ألياف الكربون زادت بشكل ملحوظ ؛ ليس فقط زادت قوة الشد من ألياف الكربون بنسبة 17.1٪ ،ولكن قوة القطع بين الحواف (ILSS) من مركب ألياف الكربون زادت أيضاً بنسبة 14.5 ٪ ، استخدم سو-جين بارك وآخرون إلكتروليت آمين مركب لإجراء معالجة الأمينات السطحية على ألياف الكربون القائمة على PAN ، لتحقيق قيم IFSS و ILSS من 117 GPa و 87 GPa و 107 GPa و 103 GPa ،على التوالي.

2.2 معالجة البلازما

البلازما هي حالة مجمعة من المادة تحتوي على عدد كاف من الجسيمات المشحونة إيجابياً وسلبياً مع تكاليف متساوية تقريبًا.استخدام أكسدة البلازما لتعديل أسطح الألياف يشير عادة إلى العمل الفيزيائي والكيميائي للغازات غير البوليمرية على سطح المادةيمكن أن تكون الغازات غير البوليمرية إما غازات تفاعلية أو غير فعالة. يستخدم الأكسجين البلازما بشكل شائع ، والذي له طاقة عالية وقوة أكسدة قوية. عندما يؤثر على سطح ألياف الكربون ، فإن الأكسجين البلازما يظهر على سطح الألياف الكربونية.يمكن أن يكسد العيوب مثل زوايا الكريستال وحوافها أو هياكل الروابط المزدوجة إلى مجموعات نشطة تحتوي على الأكسجينهوانغ يودونغ وزملاؤه عالجوا ألياف الكربون بماء البلازما ثم أنتجوا ألياف الكربون / المركبات الفينولية. عندما كان وقت العلاج 20 دقيقة،زيادة ILSS والقوة الخفيفة للفصل بين الألياف الفردية وراتنج المصفوفة بنسبة 52.8٪ و 56.5٪ على التوالي ، وارتفعت أداء الارتباط بين الوجهات للمنتج النهائي بأكثر من 40٪.وزادت الحد الأقصى لتحمل الكسر ومؤشر الصلابة من الخرسانة CFRP الاسمنت زيادة كبيرة. اعتمد Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] طريقة معالجة جديدة تتضمن الفلورين المتقطع أو المستمر من جانب واحد أو من جانبين لألياف الكربون باستخدام البلازما ،إدخال مجموعات الفلور على سطح ألياف الكربون.

2.3 معالجة الطلاء

تتضمن معالجة الطلاء تطبيق بوليمر معين على سطح الألياف لتغيير هيكل وخصائص طبقة الواجهة المركبة. يقدم طلاء السطح الوظائف التالية:الطلاء يمكن أن يحمي الألياف من التلف، تحسين ربط الألياف، والمساعدة في استخدام قوة الألياف؛ يمكن أن يغير الطلاء خصائص سطح الألياف ويحسن قابلية الرطوبة للألياف مع مصفوفة الراتنج.المجموعات الوظيفية التفاعلية في الطلاء تسهل الربط الكيميائي بين سطح الألياف ومصفوفة الراتنج؛ يمكن أن يمنع الطلاء من فقدان نشاط السطح بعد معالجة السطح.[6] مغلفة بطلاء نانو من البوليميد (PI) بسعة 100 نانومتر تقريبًا على سطح ألياف الكربون T1000عندما تم تمديد حزمة الألياف الكربونية، ساعد الطلاء النانو PI في منع انتشار عيوب السطح على ألياف الكربون وتقليل تركيز الإجهاد،زيادة فعالة في قوة سحب ألياف الكربون.

3تطبيقات ألياف الكربون

3.1 مجال الطيران والفضاء

تتمتع مواد الألياف الكربونية المركبة بسلسلة من المزايا ، بما في ذلك القوة المحددة العالية والمعيار المحدد ، ومقاومة التعب الجيدة ، والاستقرار الأبعاد الممتاز.إنها بمثابة مادة أساسية لتطوير أسلحة الجيل الجديد وتستخدم على نطاق واسع كمواد هيكلية للطائرات والمركبات الفضائيةوتشمل الأمثلة المواد الهيكلية الأساسية لأجنحة الطائرة الرئيسية والأجنحة الخلفية والجذع؛ المواد الهيكلية الثانوية مثل الطائرات، الدوائر، المصاعد، المواد الداخلية،مواد الأرضيات، والعوارض، ومساحيق الفرامل؛ شفرات طائرات الهليكوبتر؛ مخاريط الصواريخ العادم، غطاء المحرك، وما إلى ذلك؛ الأجسام الهيكلية الأقمار الصناعية، والألواح الشمسية والهوائيات، ومركبات الإطلاق، وغلاف الصواريخ.

3.2 حقل تعزيز المباني

القوة المحددة للمكونات المركبة المعززة بالألياف أعلى بكثير من الصلب ، ونموذجها المحدد هو عموما أعلى من الصلب أيضًا.هذه الأداء الميكانيكي الممتاز أدى إلى تطبيقها على نطاق واسع كمواد تعزيز وإصلاح للمباني الهندسية المدنية في اليابان، الولايات المتحدة، أوروبا، وغيرها من البلدان والمناطق.مواد الألياف الكربونية لديها درجة مرونة مماثلة لتلك التي في الصلب مع إظهار قوة سحب أعلى عشر مرات من الصلب العاديمقاومة التآكل والمتانة ممتازة أيضا. لذلك، عند استخدام ألياف الكربون لتعزيز الهياكل الخرسانية، لا تحتاج إلى مشواة إضافية أو أزرار لتثبيت.مقاومة التآكل والمتانة ممتازة، فإن الاضطرابات إلى هيكل الخرسانة الأصلي هو الحد الأدنى، وعملية البناء بسيطة ومريحة.

الاستنتاج

باختصار، فإن طرق معالجة السطح المختلفة لألياف الكربون كل منها لها خصائصها الخاصة.لا تزال أساليب ترسب البخار والبلازما في مرحلة المختبر على الصعيدين المحلي والدولي ولم تصل بعد إلى الإنتاج الصناعيتظهر طرق طلاء الوسيط اللاصق وطريقة طلاء البوليمر تأثيرات ضئيلة. من بين طرق الأكسدة، لا تناسب عملية الأكسدة في المرحلة السائلة إلا للعمل بالتلويح.وقت التفاعل لأكسدة المرحلة الغازية يعتمد على نوع ألياف الكربون ودرجة الأكسدة المرغوبة؛ الأكسدة المزدوجة الغازية السائلة من الصعب السيطرة عليها. من الناحية النسبية، الأكسدة الكهروكيميائية لديها معظم المزايا.انها لا تحسن كثيرا فقط قابلية الترطيب السطحية واستجابة ألياف الكربون ولكن أيضا يحتوي على ظروف معالجة خفيفة التي هي سهلة للتحكمالمعالجة السطحية للألياف موحدة ، ويمكن دمج الطريقة بسهولة مع خطوط إنتاج ألياف الكربون ، مما يوفر آفاقًا واسعة للتطبيق في إنتاج ألياف الكربون الصناعية.

المراجع:

1. تشيان شويلين. تحليل طلب التطبيق والسوق لألياف الكربون [J]. تكنولوجيا البتروكيميا والاقتصاد ، 2008 ، 24 ((1): 26-27.

2. Li L. دراسات واجهة على أوزون وألياف الكربون المعدلة بتأكسيد الهواء PEEK المركبات [J]. تحليل السطح والواجهة ، 2009 ، 41 ((4): 310-315.

3. Li J، Su Y H. الواجهة المعالجة بالأكسدة على الخصائص المصطلحية لتركيب PTFE المعزز بألياف الكربون في ظل حالة التشحيم بالزيت [J]. تحليل السطح والواجهة ، 2009 ، 41 ((5)):333-337.

4. ليو جيه، تيان يو ل، تشين يو جيه، ليانغ جيه. خصائص واجهة وميكانيكية لألياف الكربون التي تم تعديلها عن طريق الأكسدة الكهروكيميائية في محلول مركب مائي (NH4HCO3) / ((NH4) 2C2O4·H2O [J].علم السطح التطبيقي، 2010 ، 256 ((21): 6199 ‬6204.

5. كينغزلي كيه سي إتش، آدم إف إل، لامورينيير إس، بيسمارك أ. التلوير المستمر في البلازما الجوية لألياف الكربون [ج]. المكونات الجزء أ: العلوم التطبيقية والتصنيع، 2008، 39 ((2)): 364?? 373.

6. الميلانوما T، Naito K، Yang J M، Kyoto J، Sacker D، Kagawa Y. تأثير طبقة النانو المتوافقة من البوليميد على خصائص السحب لألياف الكربون القائمة على PAN ذات القوة العالية [J].المواد المركبة العلوم والتكنولوجيا، 2009 ، 69 (((7-8): ... (الإشارة غير الكاملة كما هو مذكور)