Résumé:

Cet article présente la structure et les propriétés des fibres de carbone, ainsi que les méthodes courantes de traitement de leur surface.Il résume également les domaines d'application des fibres de carbone et l'état actuel et les tendances du développement des fibres de carbone en Chine.

1. Introduction

La fibre de carbone est un matériau fibreux de carbone dont la densité est inférieure à celle de l'aluminium métallique mais dont la résistance dépasse celle de l'acier.Possédant à la fois les caractéristiques inhérentes de "dureté" des matières de carbone et la capacité de transformation des fibres textiles (étant "flexibles"), il représente une nouvelle génération de matériaux avancés à double usage (militaire et civil), largement utilisés dans l'aviation, l'aérospatiale, les transports, les biens sportifs et de loisirs, les dispositifs médicaux, les machines,les produits textilesL'industrie des fibres de carbone joue un rôle important dans la modernisation des industries piliers des pays développés et même dans l'amélioration de la qualité globale des économies nationales.Il revêt également une grande importance pour la restructuration industrielle et la modernisation des matériaux traditionnels en Chine [1].

1.1 Structure des fibres de carbone

Les fibres de carbone ont la structure de base du graphite, mais pas une structure de réseau de graphite idéale; elles possèdent plutôt ce que l'on appelle une structure de graphite turbostratique (voir figure 1-1).Les unités de base qui forment la structure polycristalline sont des grilles hexagonales de couche d'atomes de carboneDans les plans de couche, les atomes de carbone sont liés par de fortes liaisons covalentes d'une longueur de liaison de 0,1421 nm; entre les plans de couche, des forces faibles de van der Waals agissent,d'une épaisseur comprise entre 2 et 5 mm.3360 nm à 0.3440 nm. Les atomes de carbone entre les couches n'ont pas de positions fixes régulières, ce qui entraîne des bords de couche inégaux.les couches d'atomes de carbone dans les fibres de carbone subissent une translation et une rotation irrégulières, mais les couches hexagonales d'atomes de carbone liés par des liaisons covalentes sont essentiellement alignées parallèlement à l'axe de la fibre, donnant à la fibre un module de traction axial extrêmement élevé.Dans la structure de graphite turbostratiqueLes couches de graphite sont les unités structurelles les plus fondamentales, qui se croisent.qui à leur tour forment des fibrilles d'environ 50 nm de diamètre et plusieurs centaines de nanomètres de longueurEnfin, ces fibrilles forment des monofilaments de fibres de carbone individuels, généralement de 6 à 8 μm de diamètre.

1.2 Formation des fibres de carbone

Au cours de la formation des fibres de carbone, divers défauts microscopiques se forment à la surface, car lors de la carbonisation des fibres précurseurs, un grand nombre d'éléments et de gaz (tels que le CO2,Le COEn particulier lorsque l'évolution des gaz est trop violente à un certain stade, les gaz peuvent être utilisés pour la fabrication d'autres matériaux.les vides et les défauts formés sur la surface et l'intérieur de la fibre deviennent plus gravesLes principaux défauts observés dans les fibres de carbone sont de cinq types: trous centraux, vides biconiaux, inclusions, pores en forme d'aiguille et fissures de surface.Les plans basaux microcristallins autour des défauts de surface sont conformes à la forme du défaut, et la région d'orientation désordonnée autour du défaut augmente.les atomes de carbone situés aux bords des couches de graphite et ceux situés à des endroits défectueux sur la surface diffèrent des atomes de carbone de base intacts à l'intérieur des couchesLes atomes de carbone de base dans les couches subissent des forces symétriques, ont une énergie de liaison élevée et présentent une faible réactivité;Les atomes de carbone aux bords de la surface et les défauts de surface subissent des forces asymétriquesPar conséquent, l'activité de surface des fibres de carbone est liée au nombre d'atomes de carbone aux bords et aux sites de défaut.

1.3 Propriétés des fibres de carbone

Les fibres de carbone ont une faible densité, un poids léger, une bonne conductivité électrique, sont non magnétiques, possèdent des capacités de blindage des ondes électromagnétiques et présentent une bonne transmission des rayons X.Ces dernières années, en raison de la baisse des coûts des fibres de carbone et des progrès de la technologie de fabrication de matériaux composites, ils sont devenus un centre de recherche pour les composites de blindage électromagnétique.La composition chimique des fibres de carbone comprend des éléments tels que, N, O, H, et les impuretés métalliques en traces, tandis que la composition chimique de la surface est C, O, H. En outre, certains groupes réactifs polaires tels que les groupes cétone, carboxyle et hydroxyle existent à la surface,Mais leur quantité est très faible.En conséquence, les fibres de carbone non traitées ont une surface lisse, une faible réactivité, une petite surface spécifique (généralement inférieure à 1 m2·g−1), un grand angle de mouillage dans l'eau, une hydrophobi­cité, une résistance à l'eau et une résistance à l'humidité.et faibles propriétés de liaison et de dispersion- en profitant du fait que les fibres de carbone peuvent être oxydées par des agents oxydants et par l'oxygène dans l'air à haute température,les éléments de carbone de surface peuvent être oxydés en groupes contenant de l'oxygène, améliorant ainsi l'adhérence interfaciale, la mouillabilité et la stabilité chimique des fibres de carbone.

2Les progrès de la recherche dans le traitement de surface des fibres de carbone

Au cours de la préparation, les fibres de carbone subissent un traitement de carbonisation dans une atmosphère gazeuse inerte à haute température.le nombre de groupes fonctionnels actifs sur la surface de la fibre de carbone diminueEn outre, pour améliorer la résistance à la traction des fibres de carbone, les défauts de surface doivent être minimisés autant que possible,résultant d'une petite surface spécifiqueCette surface lisse conduit à un effet d'ancrage médiocre avec la matrice,réduire la résistance à l'interface des composites en fibres de carbone et limiter le plein potentiel des fibres de carbone à haute performancePar conséquent, pour améliorer l'adhérence interfaciale entre les fibres de carbone et les matériaux de matrice et exploiter pleinement les caractéristiques de haute résistance et de haut module des fibres de carbone,la modification de la surface des fibres de carbone est nécessaire pour améliorer la mouillabilité et l'adhérence à la matrice, améliorant ainsi les performances de collage interfacial du composite.

La modification de la surface des fibres de carbone peut avoir les trois effets suivants:

• Prévenir la formation de couches d'interface faibles. Les couches d'interface faibles comprennent principalement les impuretés adsorbées, les agents de libération; les couches d'oxyde, les couches d'hydrate formées lors du vieillissement de l'interface;et les couches d'air piégées en raison d'une humidification insuffisante de la matrice.

• Générer une morphologie de surface adaptée à l'adhésion, en créant un "bouton" sur la surface du matériau de renforcement afin d'améliorer les performances de liaison interfaciale grâce à l'effet d'ancrage.

• Améliorer l'affinité entre la résine et le matériau de renforcement en recouvrant la surface du matériau de renforcement d'un agent de revêtement modérément polaire,ou par traitement chimique de la surface pour introduire des groupes fonctionnels, améliorant ainsi les performances de collage de l'interface.

Actuellement, les principales méthodes utilisées pour modifier la surface des fibres de carbone comprennent le traitement par oxydation, le traitement par revêtement, le traitement par plasma, le traitement par dépôt chimique de vapeur,traitement par greffe de surface, et traitement par fluide supercritique.

2.1 Traitement par oxydation en phase gazeuse

Le traitement par oxydation est une approche importante pour améliorer et réguler les caractéristiques de surface des fibres de carbone.et les groupes carbonyliques peuvent être générés sur la surface de la fibre, permettant aux réactions chimiques entre la fibre et la matrice de résine de former une liaison interfaciale.cette méthode peut également endommager la structure des fibres de carbone et affecter leurs propriétés physiques et chimiquesLe traitement d'oxydation comprend principalement trois méthodes: l'oxydation en phase gazeuse, l'oxydation en phase liquide et l'oxydation électrochimique.L'oxydation en phase gazeuse utilise des gaz oxydants pour oxyder la surface des fibres, en introduisant des groupes polaires (tels que -OH, etc.) et en fournissant une rugosité appropriée pour améliorer la résistance au cisaillement interlaminaire des composites.la température d'oxydation a un effet significatif sur le résultat du traitement. J. Li et al. [2-3] ont traité les fibres de carbone par oxydation de l'air et par oxydation de l'ozone, respectivement, puis les ont polymérisées pour produire des composites de fibres de carbone/polyétheréthercétone (PEEK).Les résultats ont montré qu'après l'oxydation de l'ozone, la teneur en -COOH à la surface de la fibre de carbone a augmenté de façon significative.la résistance au cisaillement interfacial (IFSS) du composite CF/PEEK a augmenté de 60% par rapport à celui non traitéComparé au traitement par oxydation de l'air, le traitement par oxydation de l'ozone était plus efficace.

L'oxydation électrochimique consiste généralement à utiliser des fibres de carbone comme anode dans une solution électrolytique,contrôle de la condition d'oxydation de surface par modification de paramètres tels que la température de réactionComme pour les autres traitements d'oxydation, l'oxydation électrochimique introduit divers groupes fonctionnels (ester, carboxyle, hydroxyle, etc.).) sur la surface de la fibre, améliorant ainsi l'humidité des fibres, les caractéristiques d'adhérence et la liaison avec la matrice, augmentant considérablement les propriétés mécaniques des composites renforcés de fibres de carbone.Il existe de nombreux rapports sur l'oxydation électrochimique des surfaces en fibre de carboneLe contenu concerne principalement l'influence des conditions d'oxydation, les propriétés et la morphologie de la surface de la fibre de carbone après oxydation, et les mécanismes d'oxydation.[4] fibres de carbone oxydées électrochimiquement dans un électrolyte mélangé (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2OLes résultats ont montré que les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène et de l'azote sur la surface de la fibre de carbone ont augmenté de manière significative; non seulement la résistance à la traction des fibres de carbone a augmenté de 17,1%, mais la résistance à la traction des fibres de carbone a augmenté demais la résistance à la découpe interlaminaire (ILSS) du composite en fibre de carbone a également augmenté de 14.5%, Soo-Jin Park et al. ont utilisé un électrolyte composite d'amines pour effectuer un traitement d'amination de surface sur des fibres de carbone à base de PAN, obtenant des valeurs IFSS et ILSS de 117 GPa, 87 GPa et 107 GPa, 103 GPa,respectivement.

2.2 Traitement au plasma

Le plasma est un état d'agrégation de la matière contenant un nombre suffisant de particules chargées positivement et négativement avec des charges approximativement égales.L'utilisation de l'oxydation par plasma pour modifier les surfaces de fibres fait généralement référence à l'action physique et chimique des gaz non polymérants sur la surface du matériauLes gaz non polymérisants peuvent être des gaz réactifs ou inertes. L'oxygène plasmatique est couramment utilisé, qui a une énergie élevée et un fort pouvoir d'oxydation.il peut oxyder des défauts tels que les coins et les bords des cristaux ou des structures à double liaison en groupes actifs contenant de l'oxygèneHuang Yudong et al. ont traité les fibres de carbone avec de l'air plasmatique et ont ensuite produit des composites de fibres de carbone/phénols.la ILSS et la force de microdécoupling entre la fibre unique et la résine matrice ont augmenté de 52Xiong Jie et al. ont traité les fibres de carbone avec de l'oxygène plasma froid,et l'indice maximal de fracture et de ténacité de leur mortier en FRPC-ciment a augmenté de manière significative. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] ont adopté une nouvelle méthode de traitement impliquant une fluoration intermittente ou continue à double ou à un seul côté des fibres de carbone à l'aide de plasma,l'introduction de groupes de fluor sur la surface de la fibre de carbone.

2.3 Traitement du revêtement

Le traitement de revêtement consiste à appliquer un certain polymère sur la surface de la fibre pour modifier la structure et les propriétés de la couche d'interface composite.le revêtement peut protéger les fibres des dommages, améliorer le regroupement des fibres et aider à utiliser la résistance des fibres; le revêtement peut modifier les propriétés de surface de la fibre et améliorer la mouillabilité des fibres avec la matrice de résine;Les groupes fonctionnels réactifs dans le revêtement facilitent la liaison chimique entre la surface de la fibre et la matrice de résine; le revêtement peut empêcher la perte d'activité de surface après traitement de surface.[6] recouvert d'une nanocouche de polyimide (PI) d'une épaisseur d'environ 100 nm sur la surface des fibres de carbone T1000Lorsque le faisceau de fibres de carbone a été étiré, le nano-couchage de PI a aidé à prévenir la propagation des défauts de surface sur les fibres de carbone et à réduire la concentration de stress.amélioration efficace de la résistance à la traction des fibres de carbone.

3Applications des fibres de carbone

3.1 Domaine aérospatial

Les composites en fibre de carbone présentent une série d'avantages, notamment une résistance spécifique élevée et un module spécifique, une bonne résistance à la fatigue et une excellente stabilité dimensionnelle.Ils servent de matériau fondamental pour le développement d'armes de nouvelle génération et sont largement utilisés comme matériaux de structure pour les avions et les engins spatiaux.Les exemples incluent les matériaux de structure primaires pour les ailes principales, les ailes de queue et le fuselage des avions; les matériaux de structure secondaires tels que les ailerons, les gouvernails, les ascenseurs, les matériaux intérieurs,matériaux de plancher, poutres et plaquettes de frein; pales d'hélicoptère; cônes d'échappement de fusée, couvertures de moteur, etc.; corps de structures de satellites, panneaux solaires et antennes, véhicules de lancement et cartouches de missiles.

3.2 Champ de renforcement du bâtiment

La résistance spécifique des composites renforcés de fibres est beaucoup plus élevée que celle de l'acier et leur module spécifique est généralement supérieur à celui de l'acier.Cette excellente performance mécanique a conduit à leur application répandue comme matériaux de renforcement et de réparation pour les structures de génie civil au Japon., les États-Unis, l'Europe et d'autres pays et régions.Les matériaux en fibre de carbone ont un module d'élasticité comparable à celui de l'acier tout en présentant une résistance à la traction dix fois supérieure à celle de l'acier ordinaireLeur résistance à la corrosion et leur durabilité sont également excellentes. Par conséquent, lors de l'utilisation de fibres de carbone pour renforcer des structures en béton, aucun boulon ou rivets supplémentaires ne sont nécessaires pour la fixation.La résistance à la corrosion et la durabilité sont exceptionnelles., la perturbation de la structure en béton d'origine est minime et le processus de construction est simple et pratique.

Conclusion

En résumé, les différentes méthodes de traitement de surface des fibres de carbone ont chacune leurs propres caractéristiques.Les méthodes de dépôt de vapeur et de plasma sont encore en phase de laboratoire tant au niveau national qu'international et n'ont pas encore atteint la production industrielle.Parmi les méthodes d'oxydation, l'oxydation en phase liquide n'est adaptée qu'au fonctionnement par lots;le temps de réaction pour l'oxydation en phase gazeuse dépend du type de fibre de carbone et du degré d'oxydation souhaitéL'oxydation double gaz-liquide est difficile à contrôler.Non seulement il améliore considérablement la mouillabilité de surface et la réactivité des fibres de carbone, mais il présente également des conditions de traitement douces et faciles à contrôlerLe traitement de surface des fibres est uniforme et la méthode s'intègre facilement aux lignes de production de fibres de carbone, offrant de larges perspectives d'application dans la production industrielle de fibres de carbone.

Les références:

1. Qian Shuilin. Analyse de l'application et de la demande de marché des fibres de carbone [J]. Technologie pétrochimique et économie, 2008, 24 ((1): 26-27.

2. Li L. Études d'interfaces sur les composites PEEK renforcés d'ozone et de fibres de carbone modifiées par oxydation de l'air [J]. Surface and Interface Analysis, 2009, 41 ((4): 310-315.

3. Li J, Su Y H. L'interface traitée par oxydation sur les propriétés terminologiques du composite PTFE renforcé de fibres de carbone sous condition de lubrification à l'huile [J]. Surface and Interface Analysis, 2009, 41 ((5)):333 à 337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Propriétés interfaciales et mécaniques des fibres de carbone modifiées par oxydation électrochimique dans une solution aqueuse de composés (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Science appliquée de la surface, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Fluoration continue du plasma atmosphérique des fibres de carbone [J]. Composites partie A: science appliquée et fabrication, 2008, 39 ((2)): 364?? 373.

6. Melanome T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. L'effet du nano-couchage de polyimide conforme sur les propriétés de traction d'une fibre de carbone à haute résistance à base de PAN [J].Composites Science et technologie, 2009, n° 69 (7). ... (référence incomplète comme indiqué)