Samenvatting:

In dit artikel worden de structuur en eigenschappen van koolstofvezels geïntroduceerd, evenals gebruikelijke methoden voor de oppervlaktebehandeling ervan.Het geeft ook een samenvatting van de toepassingsgebieden van koolstofvezels en de huidige stand en trends van de ontwikkeling van koolstofvezels in China.

1Inleiding

Koolstofvezel is een vezelvormig koolstofmateriaal met een lagere dichtheid dan metaal aluminium, maar met een sterkte die groter is dan die van staal.Met zowel de inherente "harde" eigenschappen van koolstofmaterialen als de verwerkbaarheid van textielvezels (flexibel zijn)Het is een nieuwe generatie geavanceerd materiaal voor tweeledig gebruik (militair en civiel), dat veel wordt gebruikt in de luchtvaart, ruimtevaart, vervoer, sport- en recreatieproducten, medische hulpmiddelen, machines,textielDe koolstofvezelindustrie speelt een belangrijke rol bij de modernisering van de pijlerindustrieën in de ontwikkelde landen en zelfs bij het verbeteren van de algemene kwaliteit van de nationale economieën.Het is ook van groot belang voor de industriële herstructurering en upgrading van traditionele materialen in China [1].

1.1 Structuur van koolstofvezels

Koolstofvezels hebben de basisstructuur van grafiet, maar niet een ideale grafietroosterstructuur; ze bezitten eerder wat bekend staat als een turbostratische grafietstructuur (zie figuur 1-1).De basiseenheden die de polycrystalline structuur vormen zijn zeshoekige koolstofatoomlaagroostersBinnen de lagen zijn de koolstofatomen gebonden door sterke covalente bindingen met een bindlengte van 0,1421 nm; tussen de lagen vormen zwakke van der Waals krachten,met een tussenlaag van 0De koolstofatomen tussen de lagen hebben geen regelmatige vaste posities, wat resulteert in onevenwichtige laagranden.de koolstofatoomlagen in koolstofvezels ondergaan onregelmatige translatie en rotatie, maar de hexagonale covalent gebonden koolstofatoomlagen zijn in wezen parallel aan de vezelas uitgelijnd, waardoor de vezel een extreem hoge axiale trekmodule heeft.In de turbostratische grafietstructuurGrafietlagen zijn de meest fundamentele structurele eenheden, die elkaar kruisen.die op hun beurt fibrillen vormen van ongeveer 50 nm in diameter en enkele honderden nanometers in lengteTen slotte vormen deze fibrillen individuele koolstofvezel-monofilamenten, meestal 6·8 μm in diameter.

1.2 Vorming van koolstofvezels

Tijdens de vorming van koolstofvezels ontstaan op het oppervlak verschillende micro-defecten. Dit komt omdat tijdens de carbonisering van voorlopersvezels een groot aantal elementen en verschillende gassen (zoals CO2,CO, H2O, NH3, H2, N2) worden gegenereerd en ontsnappen, wat leidt tot leegtes en defecten op het vezeloppervlak en het binnenste.de leegtes en gebreken die zich op het vezeloppervlak en het binnenste vormen, worden ernstigerDe belangrijkste defecten die in koolstofvezels worden waargenomen zijn van vijf soorten: centrale gaten, biconische holtes, insluitsels, naaldvormige poriën en oppervlakte scheuren.De micro-kristallijn basale vlakken rond oppervlakte defecten voldoen aan de vorm van het defectIn koolstofvezels wordt de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking van de afwijking.de koolstofatomen aan de randen van de grafietlagen en die op de defecte plaatsen op het oppervlak verschillen van de intacte basale koolstofatomen in de lagenDe basiskoolstofatomen in de lagen ondervinden symmetrische krachten, hebben een hoge bindingsenergie en vertonen een lage reactiviteit.Koolstofatomen aan de oppervlakkestranden en oppervlaktefouten ervaren asymmetrische krachtenDaarom is de oppervlakteactiviteit van koolstofvezels gerelateerd aan het aantal koolstofatomen aan de randen en defectlocaties.

1.3 Eigenschappen van koolstofvezels

Koolstofvezels hebben een lage dichtheid, een licht gewicht, een goede elektrische geleidbaarheid, zijn niet-magnetisch, bezitten elektromagnetische golfschermingsmogelijkheden en vertonen een goede röntgentransmissiekracht.De laatste jaren, zijn door de dalende kosten van koolstofvezels en de vooruitgang in de technologie voor de vervaardiging van composietmateriaal, een onderzoekshotspot voor elektromagnetische afschermingscomposites geworden.De chemische samenstelling van koolstofvezels omvat elementen zoals C, N, O, H, en sporenmetalen onzuiverheden, terwijl de chemische samenstelling van het oppervlak C, O, H is. Bovendien bestaan er op het oppervlak enkele polaire reactieve groepen zoals keton-, carboxyl- en hydroxylgroepen,Maar de hoeveelheid is heel klein.De onbehandelde koolstofvezels hebben daardoor een glad oppervlak, een lage reactiviteit, een klein specifiek oppervlak (meestal minder dan 1 m2·g−1), een grote vogelhoek in water, een hoge hydrofobie,en slechte bindings- en dispersieregels- met het oog op het feit dat koolstofvezels kunnen worden geoxideerd door oxiderende stoffen en door zuurstof in de lucht bij hoge temperaturen,de oppervlakte koolstofelementen kunnen worden geoxideerd tot zuurstofhoudende groepen, waardoor de interfacial adhesie, wettability, en chemische stabiliteit van koolstofvezels verbeteren.

2. Vooruitgang van het onderzoek op het gebied van oppervlaktebehandeling van koolstofvezels

Tijdens de bereiding ondergaan koolstofvezels een koolstofbehandeling in een hoge temperatuur inerte gasatmosfeer.het aantal actieve functionele groepen op het oppervlak van de koolstofvezel neemt afBovendien moeten oppervlaktefouten zoveel mogelijk worden beperkt om de treksterkte van koolstofvezels te verbeteren.met als resultaat een klein specifiek oppervlakDit gladde oppervlak leidt tot een slecht verankeringseffect met de matrix,vermindering van de oppervlakte-sterkte van koolstofvezelcomposites en beperking van het volledige gebruik van de hoge prestaties van koolstofvezelsOm de interfacial adhesion tussen koolstofvezels en matrixmaterialen te verbeteren en de hoge sterkte en hoge modulus kenmerken van koolstofvezels ten volle te benutten,de oppervlakte van de koolstofvezels moet worden aangepast om de vogelbaarheid en de hechting met de matrix te verbeteren;, waardoor de verbindingsprestaties van het composiet worden verbeterd.

Door oppervlaktewijziging van koolstofvezels kunnen de volgende drie effecten worden bereikt:

• Vermijdt de vorming van zwakke interfaceplaatsen. Zwakke interfaceplaatsen omvatten hoofdzakelijk geadsorbeerde onzuiverheden, vrijlatingsmiddelen; oxidelagen, hydraatlagen gevormd tijdens interfacegebruik;en luchtlagen gevangen door onvoldoende bevochtiging met de matrix.

• Het creëren van een oppervlakte-morfologie die geschikt is voor hechting, waarbij “bont” op het oppervlak van het versterkingsmateriaal wordt gecreëerd om de interfacial bonding prestaties te verbeteren door het verankeringseffect.

• Verbeteren van de affiniteit tussen de hars en het versterkingsmateriaal door het oppervlak van het versterkingsmateriaal te bedekken met een matig polair bedekkingsmiddel;of door chemische behandeling van het oppervlak om functionele groepen in te voeren, waardoor de interfacial bonding prestaties worden verbeterd.

Momenteel zijn de voornaamste methoden die worden gebruikt voor oppervlaktewijziging van koolstofvezels oxidatiebehandeling, coatingbehandeling, plasmabehandeling, chemische dampafzetting,oppervlakte-transplantatiebehandeling, en superkritische vloeistofbehandeling.

2.1 Oxidatiebehandeling in gasfase

De oxidatiebehandeling is een belangrijke aanpak om de oppervlakte-eigenschappen van koolstofvezels te verbeteren en te reguleren.en carbonylgroepen kunnen worden gegenereerd op het vezeloppervlak, waardoor chemische reacties tussen de vezel en de harsmatrix interfaciale bindingen kunnen vormen.Deze methode kan ook de structuur van koolstofvezels beschadigen en hun fysische en chemische eigenschappen beïnvloeden.De oxidatietijd moet dus zorgvuldig worden gecontroleerd. De oxidatiebehandeling omvat voornamelijk drie methoden: gas-fase oxidatie, vloeibare fase oxidatie en elektrochemische oxidatie.Gasfase-oxidatie gebruikt oxiderende gassen om het vezeloppervlak te oxideren, waarbij polaire groepen (zoals -OH, enz.) worden geïntroduceerd en de juiste ruwheid wordt geboden om de snijsterkte van de composieten te verbeteren.de oxidatietemperatuur heeft een aanzienlijk effect op het behandelresultaat. J. Li et al. [2-3] behandelde koolstofvezels met behulp van respectievelijk luchtoxidatie en ozonoxidatie en polymerizeerde deze vervolgens tot koolstofvezel/polyetheretherketon (PEEK) -composites.De resultaten toonden aan dat na ozonoxidatie, is het -COOH-gehalte op het oppervlak van de koolstofvezel aanzienlijk toegenomen.de snijsterkte (IFSS) van het CF/PEEK-composite is met 60% toegenomen ten opzichte van het onbehandeldeIn vergelijking met de oxidatiebehandeling met lucht was de ozonoxidatiebehandeling effectiever.

Elektrochemische oxidatie omvat in het algemeen het gebruik van koolstofvezels als anode in een elektrolytoplossing.het beheersen van de oppervlakte-oxidatietoestand door het veranderen van parameters zoals reactietemperatuurZoals bij andere oxidatiebehandelingen introduceert elektrochemische oxidatie verschillende functionele groepen (ester, carboxyl, hydroxyl, enz.).) op het vezeloppervlak, waardoor de vezelbevochtiging, de hechtingskenmerken en de binding met de matrix verbeteren, waardoor de mechanische eigenschappen van koolstofvezelversterkte composieten aanzienlijk worden verhoogd.er zijn veel rapporten over de elektrochemische oxidatie van koolstofvezeloppervlakkenDe inhoud betreft hoofdzakelijk de invloed van oxidatieomstandigheden, de eigenschappen en morfologie van het oppervlak van de koolstofvezel na oxidatie en oxidatiemechanismen.[4] elektrochemisch geoxideerde koolstofvezels in een gemengd (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O-electrolytDe resultaten toonden aan dat de zuurstof- en stikstofhoudende functionele groepen op het oppervlak van de koolstofvezel aanzienlijk toenamen.de interlaminaire scheersterkte (ILSS) van het koolstofvezelcompositaat steeg ook met 14.5% Soo-Jin Park et al. gebruikten een samengesteld amine-electrolyt om oppervlakte-aminatiebehandeling op PAN-gebaseerde koolstofvezels uit te voeren, waarbij IFSS- en ILSS-waarden van 117 GPa, 87 GPa en 107 GPa, 103 GPa werden bereikt,respectievelijk.

2.2 Plasmabehandeling

Plasma is een geaggregeerde toestand van materie die een voldoende aantal positief en negatief geladen deeltjes bevat met ongeveer gelijke ladingen.Het gebruik van plasma-oxidatie om vezeloppervlakken te modificeren verwijst meestal naar de fysische en chemische werking van niet-polymeriserende gassen op het materiaaloppervlak. Niet-polymeriserende gassen kunnen zowel reactieve als inerte gassen zijn. Plasmazuurstof wordt vaak gebruikt, die een hoge energie en een sterk oxidatievermogen heeft.het kan defecten zoals kristallenhoeken en -randen of dubbelbindingsstructuren oxideren tot zuurstofhoudende actieve groepenHuang Yudong et al. behandelde koolstofvezels met plasmalucht en produceerde vervolgens koolstofvezel/fenolcomposites.de ILSS en de interfaciale micro-ontbindingskracht tussen de enkele vezel en het matrixhars verhoogd met 52Xiong Jie et al. behandelde koolstofvezels met koude plasmazuurstof,en de maximale breukbelasting en de sterkte van hun CFK-cementmortel steeg aanzienlijk. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] hebben een nieuwe behandelingsmethode aangenomen waarbij met behulp van plasma een intermitterende of continue eenzijdige of dubbelzijdige fluorering van koolstofvezels wordt uitgevoerd,het introduceren van fluorgroepen op het oppervlak van koolstofvezels.

2.3 Bekleding

De coatingbehandeling omvat het aanbrengen van een bepaald polymeer op het vezeloppervlak om de structuur en eigenschappen van de composietinterfacelaag te veranderen.de coating kan de vezels beschermen tegen beschadigingDe coating kan de oppervlakte eigenschappen van de vezels veranderen en de vezelvochtigheid met de harsmatrix verbeteren;reactieve functionele groepen in de coating vergemakkelijken chemische binding tussen het vezeloppervlak en de harsmatiekDe coating kan het verlies van oppervlakteactiviteit na oppervlaktebehandeling voorkomen.[6] met een nanocoating van polyimide (PI) van ongeveer 100 nm dik op het oppervlak van T1000 koolstofvezelsWanneer de koolstofvezelbundel werd uitgerekt, hielp de PI-nanobescherming de verspreiding van oppervlaktefouten op de koolstofvezels te voorkomen en de spanningsconcentratie te verminderen.effectief verhogen van de treksterkte van de koolstofvezels.

3Toepassingen van koolstofvezels

3.1 Lucht- en ruimtevaart

Carbonvezelcomposites hebben een reeks voordelen, waaronder een hoge specifieke sterkte en specifieke modulus, een goede vermoeidheidsweerstand en uitstekende dimensionale stabiliteit.Ze dienen als fundamenteel materiaal voor de ontwikkeling van nieuwe generatie wapens en worden veel gebruikt als bouwmateriaal voor vliegtuigen en ruimteschepen.Voorbeelden hiervan zijn primaire bouwmaterialen voor hoofdzolen, staartvleugels en romp van vliegtuigen; secundaire bouwmaterialen zoals ailerons, roeren, liften, interieurmaterialen,vloermaterialen, balken en remplaatjes; helikopterbladen; uitlaatconen voor raketten, motorkappen, enz.; satellietconstructies, zonnepanelen en antennes, lanceerwagens en rakethulzen.

3.2 Gebouwversterkingsveld

De specifieke sterkte van vezelversterkte composieten is veel hoger dan die van staal, en hun specifieke modulus is over het algemeen ook hoger dan die van staal.Deze uitstekende mechanische prestaties hebben geleid tot een brede toepassing als versterkings- en reparatiemateriaal voor civiele constructies in Japan, de Verenigde Staten, Europa en andere landen en regio's.Materialen van koolstofvezels hebben een elastische modulus die vergelijkbaar is met die van staal, terwijl zij tien keer meer treksterkte vertonen dan gewoon staal. Hun corrosiebestendigheid en duurzaamheid zijn ook uitstekend. Daarom zijn bij het gebruik van koolstofvezels om betonnen structuren te versterken, geen extra bouten of klinkers nodig voor het bevestigen.De corrosiebestendigheid en duurzaamheid zijn uitstekend, is de verstoring van de oorspronkelijke betonnen structuur minimaal en is het bouwproces eenvoudig en handig.

Conclusies

Samengevat hebben de verschillende oppervlaktebehandelingsmethoden voor koolstofvezels elk hun eigen kenmerken.De stoomdepositie- en plasma-methoden bevinden zich nog in de laboratoriumfase, zowel in binnen- als buitenland, en zijn nog niet tot industriële productie gekomen.Onder de oxidatiemethoden is de vloeibare-fase-oxidatie alleen geschikt voor batchbewerking.de reactietijd voor gasfaseroxidatie is afhankelijk van het type koolstofvezel en de gewenste oxidatiegraadHet is moeilijk om de dubbele oxidatie van gas en vloeistof te beheersen.Het verbetert niet alleen de oppervlaktebevochtiging en reactiviteit van koolstofvezels, maar biedt ook milde behandelingsomstandigheden die gemakkelijk te beheersen zijnDe vezeloppervlaktebehandeling is uniform en de methode kan gemakkelijk worden geïntegreerd met koolstofvezelproductielijnen, wat een breed toepassingsperspectief biedt in de industriële koolstofvezelproductie.

Referenties:

1. Qian Shuilin. Toepassings- en marktvraaganalyse van koolstofvezels [J]. Petrochemical Technology & Economy, 2008, 24(1): 26-27.

2. Li L. Interfacial studies on ozone and air-oxidation-modified carbon fiber reinforced PEEK composites [J].

3. Li J, Su Y H. De door oxidatie behandelde interface op terminologische eigenschappen van koolstofvezelversterkt PTFE-composite onder olie-glijconditie [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Interfaciale en mechanische eigenschappen van koolstofvezels die zijn gemodificeerd door elektrochemische oxidatie in een waterige verbindingsoplossing van (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Toegepaste oppervlaktewetenschappen, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Continu atmosferische plasmafluorering van koolstofvezels [J]. Composites Deel A: Toegepaste wetenschap en productie, 2008, 39(2): 364 ¢ 373.

6. Melanoma T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Het effect van compliant polyimide nanocoating op de trekken eigenschappen van een hoge sterkte PAN-gebaseerde koolstofvezel [J].Samengestelde materialen Wetenschap en technologie, 2009, 69 (7). ... (onvolledige verwijzing zoals verstrekt)