Zusammenfassung:

In diesem Artikel werden Struktur und Eigenschaften von Kohlenstofffasern sowie gängige Methoden zur Oberflächenbehandlung vorgestellt.Außerdem werden die Anwendungsbereiche von Kohlenstofffasern sowie der aktuelle Stand und die Entwicklungstrends von Kohlenstofffasern in China zusammengefasst..

1Einführung

Kohlenstofffaser ist ein faseriges Kohlenstoffmaterial mit einer geringeren Dichte als metallisches Aluminium, aber einer Stärke, die die des Stahls übersteigt.mit den inhärenten "harten" Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien und der Verarbeitungsfähigkeit von Textilfasern ("flexibel"), stellt eine neue Generation fortgeschrittener Materialien für den doppelten Gebrauch (militärisch und zivil) dar, die weit verbreitet in der Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, Transport, Sport- und Freizeitgütern, Medizinprodukten, Maschinen,TextilienDie Kohlenstofffaserindustrie spielt eine wichtige Rolle bei der Modernisierung der Säulenindustrie in den entwickelten Ländern und sogar bei der Verbesserung der Gesamtqualität der nationalen Volkswirtschaften.Es ist auch von großer Bedeutung für die industrielle Umstrukturierung und Modernisierung traditioneller Materialien in China [1].

1.1 Struktur von Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern haben die Grundstruktur von Graphit, aber keine ideale Graphitgitterstruktur; vielmehr besitzen sie eine sogenannte turbostratische Graphitstruktur (siehe Abbildung 1-1).Die grundlegenden Einheiten, die die polykristalline Struktur bilden, sind hexagonale Kohlenstoffatom SchichtgitterInnerhalb der Schichtflächen sind Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen mit einer Bindungslänge von 0,1421 nm gebunden; zwischen den Schichtflächen wirken schwache Van der Waals-Kräfte,mit einem Abstand zwischen den Schichten zwischen 0 und.3360 nm bis 0.3440 nm. Die Kohlenstoffatome zwischen den Schichten haben keine regelmäßigen festen Positionen, was zu ungleichmäßigen Schichtkanten führt.die Kohlenstoffatomschichten in Kohlenstofffasern unterliegen einer unregelmäßigen Translation und Rotation, aber die hexagonalen kovalent gebundenen Kohlenstoffatomschichten sind im Wesentlichen parallel zur Faserachse ausgerichtet, was der Faser ein extrem hohes axialer Zugmodul verleiht.In der turbostratischen Graphitstruktur, Graphit-Schichten sind die grundlegendsten strukturellen Einheiten, die sich miteinander schneiden.die wiederum Fibrillen von etwa 50 nm Durchmesser und mehreren hundert Nanometern Länge bildenSchließlich bilden diese Fibrillen einzelne Kohlenstofffaser-Monofilamente, typischerweise 6 ‰ 8 μm im Durchmesser.

1.2 Bildung von Kohlenstofffasern

Bei der Bildung von Kohlenstofffasern bilden sich an der Oberfläche verschiedene Mikro-Defecte, da bei der Verkarbonierung von Vorläuferfasern eine große Anzahl von Elementen und verschiedenen Gasen (wie z.B. CO2,Kohlenstoff, H2O, NH3, H2, N2) entstehen und entweichen, was zu Löchern und Defekten an der Faseroberfläche und im Inneren führt.die auf der Faseroberfläche und im Inneren gebildeten Hohlräume und Defekte werden schwerwiegenderDie wichtigsten in den Kohlenstofffasern beobachteten Defekte umfassen fünf Arten: zentrale Löcher, bikonische Hohlräume, Einschlüsse, nadelförmige Poren und Oberflächensprengungen.Die mikrokristallinen Basalebene um die Oberflächendefekte entspricht der Form des Defekts, und der Bereich der ungeordneten Orientierung um den Defekt erhöht sich.die Kohlenstoffatome an den Rändern der Graphit-Schichten und die an defekten Stellen an der Oberfläche unterscheiden sich von den intakten Basalkohlenstoffatomen innerhalb der Schichten. Basalkohlenstoffatome in den Schichten erfahren symmetrische Kräfte, haben eine hohe Bindungsenergie und zeigen eine geringe Reaktivität;Kohlenstoffatome an Oberflächenkanten und Oberflächenfehlern erfahren asymmetrische KräfteDaher hängt die Oberflächenaktivität von Kohlenstofffasern mit der Anzahl der Kohlenstoffatome an den Kanten und Defektstellen zusammen.

1.3 Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern haben eine geringe Dichte, ein geringes Gewicht, eine gute elektrische Leitfähigkeit, sind nicht magnetisch, verfügen über elektromagnetische Wellenschutzkapazitäten und weisen eine gute Röntgenübertragbarkeit auf.In den letzten Jahren, sind sie aufgrund sinkender Kosten für Kohlenstofffasern und der Fortschritte in der Verbundwerkstoffherstellungstechnologie zu einem Forschungsschwerpunkt für elektromagnetische Abschirmungsverbundwerkstoffe geworden.Die chemische Zusammensetzung von Kohlenstofffasern umfaßt zum Beispiel C, N, O, H und Spurenmetallverunreinigungen, während die chemische Oberflächenzusammensetzung C, O, H ist. Zusätzlich gibt es auf der Oberfläche einige polare reaktive Gruppen wie Keton-, Carboxyl- und Hydroxylgruppen,Aber ihre Menge ist sehr klein.Die unbehandelten Kohlenstofffasern weisen daher eine glatte Oberfläche, eine geringe Reaktivität, eine geringe spezifische Oberfläche (im Allgemeinen weniger als 1 m2·g−1), einen großen Wassereinschlagwinkel, eine geringe Hydrophobie,und schlechte Bindungs- und Dispergierungseigenschaften- unter Nutzung der Tatsache, daß Kohlenstofffasern durch Oxidationsmittel und Sauerstoff in der Luft bei hohen Temperaturen oxidiert werden können,die Oberflächenkohlelemente können in sauerstoffhaltige Gruppen oxidiert werden, wodurch die Oberflächenabhängigkeit, Feuchtigkeit und chemische Stabilität von Kohlenstofffasern verbessert werden.

2Fortschritte bei der Oberflächenbehandlung von Kohlenstofffasern

Während der Zubereitung werden die Kohlenstofffasern in einer hochtemperaturen inerten Gasatmosphäre durch eine Verkohlung behandelt.die Anzahl der aktiven Funktionsgruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser nimmt abAußerdem müssen die Oberflächenfehler so weit wie möglich minimiert werden, um die Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern zu verbessern.mit einer geringen spezifischen FlächeDiese glatte Oberfläche führt zu einem schlechten Verankerungseffekt mit der Matrix.Verringerung der Oberflächenfestigkeit von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen und Begrenzung des vollen Einsatzes der hohen Leistungsfähigkeit von KohlenstofffasernDaher ist es notwendig, die Oberflächenhaftung zwischen Kohlenstofffasern und Matrixmaterialien zu verbessern und die hohen Festigkeits- und Modulcharakteristiken von Kohlenstofffasern voll auszunutzen.die Oberflächenänderung von Kohlenstofffasern ist notwendig, um die Benetzbarkeit und die Haftung an der Matrix zu verbessern,, wodurch die Oberflächenbindung des Verbundwerkstoffs verbessert wird.

Die Oberflächenmodifikation von Kohlenstofffasern kann folgende drei Effekte erzielen:

• Schwache Schnittstelle Schichten umfassen hauptsächlich adsorbierte Verunreinigungen, Freisetzungsmittel; Oxid Schichten, Hydrat Schichten während der Schnittstelle Alterung gebildet;und Luftschichten, die aufgrund unzureichender Befeuchtung mit der Matrix eingeschlossen sind.

• Erzeugen Sie eine für die Haftung geeignete Oberflächenmorphologie, indem Sie auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials “Aufschlag” erzeugen, um die Bindungsleistung der Oberfläche durch den Verankerungseffekt zu verbessern.

• Verbesserung der Affinität zwischen dem Harz und dem Verstärkungsmaterial durch Beschichtung der Oberfläche des Verstärkungsmaterials mit einem mäßig polaren Beschichtungsmittel,oder durch chemische Oberflächenbehandlung zur Einführung von Funktionsgruppen, wodurch die Bindungsleistung der Oberflächen verbessert wird.

Derzeit werden vor allem Oxidationsbehandlungen, Beschichtung, Plasmabehandlungen, chemische Dampfdeponierung,Oberflächentransplantationsbehandlung, und superkritische Flüssigkeitsbehandlung.

2.1 Oxidationsbehandlung in der Gasphase

Die Oxidationsbehandlung ist ein wichtiger Ansatz zur Verbesserung und Regulierung der Oberflächenmerkmale von Kohlenstofffasern.und Carbonylgruppen auf der Faseroberfläche erzeugt werden können, wodurch chemische Reaktionen zwischen der Faser und der Harzmatrix eine Oberflächenbindung bilden.Diese Methode kann auch die Struktur von Kohlenstofffasern beschädigen und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften beeinträchtigen.Die Oxidationsbehandlung umfasst hauptsächlich drei Methoden: Gasphasen-Oxidation, Flüssigphasen-Oxidation und elektrochemische Oxidation.Bei der Gasphasen-Oxidation werden oxidierende Gase zur Oxidation der Faseroberfläche verwendet, die Polargruppen (z. B. -OH, etc.) einführen und eine angemessene Rauheit bieten, um die Scherfestigkeit zwischen den Schichten der Verbundwerkstoffe zu verbessern.die Oxidationstemperatur hat einen signifikanten Einfluss auf das Behandlungsergebnis. J. Li et al. [2-3] behandelten Kohlenstofffasern mit Luftoxidation bzw. Ozonoxidation und polymerierten sie dann zur Herstellung von Kohlenstofffaser/Polyetheretherketon (PEEK) -Verbundwerkstoffen.Die Ergebnisse zeigten, daß nach Ozon-Oxidation, stieg der -COOH-Gehalt an der Oberfläche der Kohlenstofffaser signifikant.die Scherfestigkeit (IFSS) des CF/PEEK-Verbundwerkstoffs erhöhte sich im Vergleich zum unbehandelten Material um 60%Im Vergleich zur Luftoxidation war die Ozonoxidation wirksamer.

Die elektrochemische Oxidation beinhaltet in der Regel die Verwendung von Kohlenstofffasern als Anode in einer Elektrolytlösung.Steuerung des Oberflächenoxidationszustands durch Änderung von Parametern wie ReaktionstemperaturWie bei anderen Oxidationsbehandlungen führt die elektrochemische Oxidation verschiedene Funktionsgruppen ein (Ester, Carboxyl, Hydroxyl usw.).) auf die Faseroberfläche, wodurch die Faserbefeuchtung, die Haftung und die Bindung an die Matrix verbessert werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften von mit Kohlenstofffaser verstärkten Verbundwerkstoffen signifikant erhöht werden.Es gibt viele Berichte über die elektrochemische Oxidation von KohlenstofffaseroberflächenDer Inhalt betrifft hauptsächlich den Einfluß von Oxidationsbedingungen, die Eigenschaften und Morphologie der Oberfläche der Kohlenstofffaser nach der Oxidation und die Oxidationsmechanismen.[4] elektrochemisch oxidierte Kohlenstofffasern in einem gemischten (NH4HCO3)/ (NH4) 2C2O4·H2O-ElektrolytDie Ergebnisse zeigten, daß sich die sauerstoff- und stickstoffhaltigen Funktionsgruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser signifikant erhöht haben.aber auch die interlaminale Scherfestigkeit (ILSS) des Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs erhöhte sich um 14.5% Soo-Jin Park et al. verwendeten einen zusammengesetzten Aminelektrolyt zur Oberflächenamination von PAN-basierten Kohlenstofffasern und erreichten IFSS- und ILSS-Werte von 117 GPa, 87 GPa und 107 GPa, 103 GPa,jeweils.

2.2 Plasmabehandlung

Plasma ist ein Aggregat der Materie, das eine ausreichende Anzahl von positiv und negativ geladenen Partikeln mit ungefähr gleicher Ladung enthält.Die Verwendung der Plasma-Oxidation zur Modifikation von Faseroberflächen bezieht sich typischerweise auf die physikalische und chemische Wirkung von nicht-polymerierenden Gasen auf der MaterialoberflächeNichtpolymerierende Gase können entweder reaktive oder inerte Gase sein. Plasma-Sauerstoff wird häufig verwendet, der eine hohe Energie und starke Oxidationskraft aufweist.Es kann Defekte wie Kristallwinkeln und -kanten oder Doppelbindungsstrukturen in sauerstoffhaltige aktive Gruppen oxidierenBei einer Behandlung von 20 Minuten wurden die Kohlenstofffasern mit Plasma-Luft behandelt und anschließend Kohlenstofffaser-Phenol-Verbundwerkstoffe hergestellt.die ILSS und die Mikroabbindungskraft zwischen der einzelnen Faser und dem Matrixharz erhöhte sich um 52Bei der Verarbeitung von Kohlenstofffasern mit kaltem Plasma-Sauerstoff, die in der Verarbeitung von Kohlenstofffasern verwendet wird, wird die Kohlenstofffasern mit einem Anteil von 0,8% bzw. 56,5% verarbeitet und die Bindungsleistung des Endprodukts um mehr als 40% erhöht.und die maximale Bruchlast und der Zähigkeitsindex ihres CFK-Zementmortar deutlich erhöht. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] haben eine neue Behandlungsmethode eingeführt, bei der eine intermittierende oder kontinuierliche einseitige oder zweiseitige Fluorisierung von Kohlenstofffasern mit Plasma durchgeführt wird,Einführung von Fluorgruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffaser.

2.3 Beschichtung

Bei der Beschichtung wird ein bestimmtes Polymer auf die Faseroberfläche aufgetragen, um die Struktur und Eigenschaften der Verbundschnittstelle zu verändern.die Beschichtung kann die Fasern vor Schäden schützen, verbessern die Faserbündelung und helfen, die Faserfestigkeit zu nutzen; die Beschichtung kann die Oberflächeigenschaften der Faser verändern und die Faserbefeuchtigung mit der Harzmatrix verbessern;Reaktive Funktionsgruppen in der Beschichtung erleichtern die chemische Bindung zwischen der Faseroberfläche und der HarzmatrixDie Beschichtung kann den Verlust der Oberflächenaktivität nach der Oberflächenbehandlung verhindern.[6] mit einer Nano-Beschichtung aus Polyimid (PI) mit einer Dicke von etwa 100 nm auf der Oberfläche von T1000-KohlenstofffasernBei Dehnung des Kohlenstofffaserbundes verhinderte die PI-Nanobeschichtung die Ausbreitung von Oberflächenfehlern auf die Kohlenstofffasern und reduzierte die Spannungskonzentration.Wirksam erhöht die Zugfestigkeit der Kohlenstofffasern.

3. Anwendungen von Kohlenstofffasern

3.1 Luft- und Raumfahrt

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe weisen eine Reihe von Vorteilen auf, darunter hohe spezifische Festigkeit und spezifisches Modul, eine gute Ermüdungsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität.Sie dienen als grundlegendes Material für die Entwicklung von Waffen der neuen Generation und werden häufig als Baustoffe für Flugzeuge und Raumfahrzeuge verwendet.Beispiele hierfür sind primäre Baustoffe für Hauptflügel, Heckflügel und Rumpf; sekundäre Baustoffe wie Ailerons, Ruder, Aufzüge, Innematerialien,Bodenmaterialien, Strahlen und Bremsplatten; Hubschrauberblätter; Raketenabgaskähnen, Motorkappen usw.; Satellitenkonstruktionskörper, Sonnenkollektoren und Antennen, Trägerraketen und Raketenhülsen.

3.2 Gebäudeverstärkungsfeld

Die spezifische Festigkeit von faserverstärkten Verbundwerkstoffen ist viel höher als die des Stahls, und ihr spezifischer Modul ist in der Regel auch höher als der des Stahls.Diese ausgezeichnete mechanische Leistung hat zu einer breiten Anwendung als Verstärkungs- und Reparaturmaterialien für Bauwerke in Japan geführt., die Vereinigten Staaten, Europa und andere Länder und Regionen.Kohlenstofffasermaterialien weisen einen elastischen Modul auf, der mit dem des Stahls vergleichbar ist, während sie eine zehnmal höhere Zugfestigkeit aufweisen als gewöhnliches StahlDie Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit sind ebenfalls hervorragend, weshalb bei der Verwendung von Kohlenstofffasern zur Verstärkung von Betonkonstruktionen keine zusätzlichen Schrauben oder Nieten zur Befestigung erforderlich sind.Die Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit sind hervorragend, ist die Störung der ursprünglichen Betonkonstruktion minimal, und der Bauprozess ist einfach und bequem.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die verschiedenen Oberflächenbehandlungsmethoden für Kohlenstofffasern jeweils ihre eigenen Merkmale aufweisen.Die Dampf- und Plasmaablagerungsmethoden befinden sich sowohl im In- als auch im Ausland noch in der Laborphase und sind noch nicht industriell hergestellt worden.Bei den Oxidationsmethoden ist die Flüssigphasen-Oxidation nur für den Chargenbetrieb geeignet.die Reaktionszeit für die Gasphasen-Oxidation hängt von der Art der Kohlenstofffaser und dem gewünschten Oxidationsgrad abDie Gas-Flüssigkeit-Doppeloxidation ist schwer zu kontrollieren.Es verbessert nicht nur die Oberflächenbefeuchtigung und Reaktivität von Kohlenstofffasern, sondern bietet auch milde Behandlungsbedingungen, die leicht zu kontrollieren sindDie Oberflächenbehandlung der Faser ist einheitlich und die Methode lässt sich leicht in die Produktionslinien für Kohlenstofffaser integrieren, was breite Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Kohlenstofffaserproduktion bietet.

Referenzen:

1. Qian Shuilin. Anwendungs- und Marktnachfrageanalyse von Kohlenstofffasern [J]. Petrochemical Technology & Economy, 2008, 24(1): 26-27.

2. Li L. Oberflächenstudien zu Ozon- und luftoxidationsmodifizierten PEEK-Verbundwerkstoffen aus Kohlenstofffasern [J]. Oberflächen- und Oberflächenanalyse, 2009, 41(4): 310-315.

3. Li J, Su Y H. Die durch Oxidation behandelte Schnittstelle zu terminologischen Eigenschaften von mit Kohlenstofffasern verstärktem PTFE-Verbundwerkstoff unter Ölgeschmierung [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Oberflächen- und mechanische Eigenschaften von Kohlenstofffasern, die durch elektrochemische Oxidation in (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O wässriger Verbindungslösung modifiziert wurden [J].Angewandte Oberflächenforschung, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K CH, Adam FL, Lamoriniere S, Bismarck A. Kontinuierliche atmosphärische Plasmaplorierung von Kohlenstofffasern [J]. Komposite Teil A: Angewandte Wissenschaft und Fertigung, 2008, 39 ((2)): 364 ¢ 373.

6. Melanom T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Die Wirkung einer konformen Polyimid-Nanobeschichtung auf die Zugfähigkeit einer hochfesten PAN-basierten Kohlenstofffaser [J].Wissenschaft und Technologie, 2009, Nr. 697-8): ... (nicht vollständige Angaben)