Singkatnya:

Artikel ini memperkenalkan struktur dan sifat serat karbon, serta metode umum untuk pengolahan permukaannya.Ini juga meringkas bidang aplikasi serat karbon dan status saat ini dan tren pengembangan serat karbon di Cina.

1. Pengantar

Serat karbon adalah bahan serat karbon dengan kepadatan yang lebih rendah dari aluminium logam tetapi dengan kekuatan yang melebihi baja.Memiliki sifat "keras" yang melekat pada bahan karbon dan kemampuan untuk memproses serat tekstil (menjadi "fleksibel"), merupakan generasi baru bahan canggih dual-use (militer dan sipil), yang banyak digunakan di bidang penerbangan, aeroangkasa, transportasi, barang olahraga dan rekreasi, peralatan medis, mesin,tekstilIndustri serat karbon memainkan peran penting dalam peningkatan industri pilar di negara-negara maju dan bahkan dalam meningkatkan kualitas keseluruhan ekonomi nasional.Ini juga sangat penting untuk restrukturisasi industri dan peningkatan bahan tradisional di Cina [1].

1.1 Struktur Serat Karbon

Serat karbon memiliki struktur dasar grafit, tetapi tidak memiliki struktur kisi grafit yang ideal; sebaliknya, mereka memiliki apa yang dikenal sebagai struktur grafit turbostratik (lihat Gambar 1-1).Satuan dasar yang membentuk struktur polikristalin adalah kisi lapisan atom karbon heksagonal, yang membentuk bidang lapisan. Di dalam bidang lapisan, atom karbon terikat oleh ikatan kovalen yang kuat dengan panjang ikatan 0,1421 nm; di antara bidang lapisan, kekuatan van der Waals yang lemah bertindak,dengan jarak antara lapisan mulai dari 0.3360 nm hingga 0.3440 nm. Atom karbon antara lapisan tidak memiliki posisi tetap yang teratur, menghasilkan tepi lapisan yang tidak merata.lapisan atom karbon dalam serat karbon mengalami translasi dan rotasi yang tidak teratur, tetapi lapisan atom karbon yang terikat kovalen heksagonal pada dasarnya sejajar dengan sumbu serat, memberikan serat modul tarik sumbu yang sangat tinggi.Dalam struktur grafit turbostratik, lapisan grafit adalah unit struktural yang paling mendasar, saling bersilang. beberapa sampai lusin lapisan membentuk kristal grafit,yang pada gilirannya membentuk serat dengan diameter sekitar 50 nm dan panjang beberapa ratus nanometerAkhirnya, fibril ini membentuk monofilamen serat karbon individu, biasanya diameter 6~8 μm.

1.2 Pembentukan Serat Karbon

Selama pembentukan serat karbon, berbagai cacat mikro terbentuk di permukaan. Hal ini karena selama karbonisasi serat prekursor, sejumlah besar unsur dan berbagai gas (seperti CO2,CO, H2O, NH3, H2, N2) dihasilkan dan lolos, menyebabkan kekosongan dan cacat pada permukaan serat dan bagian dalam.lubang dan cacat yang terbentuk pada permukaan serat dan bagian dalam menjadi lebih parahCacat utama yang diamati pada serat karbon meliputi lima jenis: lubang pusat, rongga bikonik, inklusi, pori-pori seperti jarum, dan retakan permukaan.Mikrokristalin basal bidang di sekitar cacat permukaan sesuai dengan bentuk cacat, dan daerah orientasi yang tidak teratur di sekitar cacat meningkat.atom karbon di tepi lapisan grafit dan mereka di lokasi cacat di permukaan berbeda dari atom karbon basal utuh di dalam lapisanAtom karbon basal dalam lapisan mengalami kekuatan simetris, memiliki energi ikatan yang tinggi, dan menunjukkan reaktivitas yang rendah;atom karbon di tepi permukaan dan cacat permukaan mengalami kekuatan asimetrisOleh karena itu, aktivitas permukaan serat karbon terkait dengan jumlah atom karbon di tepi dan situs cacat.

1.3 Sifat Serat Karbon

Serat karbon memiliki kepadatan rendah, berat ringan, konduktivitas listrik yang baik, tidak magnetik, memiliki kemampuan pelindung gelombang elektromagnetik, dan menunjukkan transmisi sinar-X yang baik.Dalam beberapa tahun terakhir, karena penurunan biaya serat karbon dan kemajuan dalam teknologi pembuatan bahan komposit, mereka telah menjadi hotspot penelitian untuk komposit pelindung elektromagnetik.Komposisi kimia bulk dari serat karbon mencakup unsur-unsur seperti C, N, O, H, dan kotoran logam jejak, sedangkan komposisi kimia permukaan adalah C, O, H. Selain itu, beberapa kelompok reaktif kutub seperti keton, karboksil, dan kelompok hidroksil ada di permukaan,tapi jumlahnya sangat kecilAkibatnya, serat karbon yang tidak diobati memiliki permukaan yang halus, reaktivitas rendah, luas permukaan spesifik yang kecil (umumnya kurang dari 1 m2·g−1), sudut basah yang besar dalam air, hidrofobisitas,dan sifat ikatan dan dispersi yang burukMengambil keuntungan dari fakta bahwa serat karbon dapat teroksidasi oleh agen oksidasi dan oleh oksigen di udara pada suhu tinggi,unsur karbon permukaan dapat teroksidasi menjadi gugus yang mengandung oksigen, sehingga meningkatkan adhesi antar muka, kelembaban, dan stabilitas kimia serat karbon.

2Kemajuan Penelitian dalam Pengolahan Permukaan Serat Karbon

Selama persiapan, serat karbon mengalami perawatan karbonisasi dalam atmosfer gas inert suhu tinggi.jumlah kelompok fungsional aktif pada permukaan serat karbon berkurangSelain itu, untuk meningkatkan ketahanan tarik dari serat karbon, cacat permukaan harus diminimalkan sebanyak mungkin,menghasilkan luas permukaan spesifik yang kecilPermukaan halus ini menyebabkan efek anchoring yang buruk dengan matriks,mengurangi kekuatan permukaan komposit serat karbon dan membatasi permainan penuh kinerja tinggi serat karbonOleh karena itu, untuk meningkatkan adhesi antar muka antara serat karbon dan bahan matriks dan sepenuhnya memanfaatkan kekuatan tinggi dan karakteristik modulus tinggi serat karbon,Modifikasi permukaan serat karbon diperlukan untuk meningkatkan kelembaban dan adhesi dengan matriks, sehingga meningkatkan kinerja ikatan antarmuka dari komposit.

Modifikasi permukaan serat karbon dapat mencapai tiga efek berikut:

• Mencegah pembentukan lapisan antarmuka yang lemah. Lapisan antarmuka yang lemah terutama mencakup kotoran yang diserap, agen pelepasan; lapisan oksida, lapisan hidrat yang terbentuk selama penuaan antarmuka;dan lapisan udara terjebak karena tidak cukup basah dengan matriks.

• Menghasilkan morfologi permukaan yang cocok untuk adhesi, menciptakan 凸 pada permukaan bahan penguat untuk meningkatkan kinerja ikatan antarmuka melalui efek anchoring.

• Meningkatkan afinitas antara resin dan bahan penguat dengan melapisi permukaan bahan penguat dengan agen penutup moderat polar,atau dengan pengolahan kimia pada permukaan untuk memperkenalkan kelompok fungsional, sehingga meningkatkan kinerja ikatan antarmuka.

Saat ini, metode utama yang digunakan untuk modifikasi permukaan serat karbon termasuk pengolahan oksidasi, pengolahan lapisan, pengolahan plasma, pengolahan deposisi uap kimia,Pengolahan pemindahan permukaan, dan perawatan cairan superkritis.

2.1 Pengolahan oksidasi fase gas

Pengolahan oksidasi adalah pendekatan penting untuk meningkatkan dan mengatur karakteristik permukaan serat karbon.dan gugus karbonil dapat dihasilkan pada permukaan serat, memungkinkan reaksi kimia antara serat dan matriks resin untuk membentuk ikatan antarmuka.metode ini juga dapat merusak struktur serat karbon dan mempengaruhi sifat fisik dan kimia merekaPengolahan oksidasi terutama mencakup tiga metode: oksidasi fase gas, oksidasi fase cair, dan oksidasi elektrokimia.Oksidasi fase gas menggunakan gas oksidasi untuk mengoksidasi permukaan serat, memperkenalkan kelompok kutub (seperti -OH, dll) dan memberikan kasar yang tepat untuk meningkatkan kekuatan geser interlaminar komposit.suhu oksidasi memiliki efek yang signifikan pada hasil perawatan. J. Li et al. [2-3] mengolah serat karbon dengan menggunakan oksidasi udara dan oksidasi ozon, masing-masing, dan kemudian polimerisasi mereka untuk menghasilkan serat karbon/polyetheretherketone (PEEK) komposit.Hasilnya menunjukkan bahwa setelah oksidasi ozon, kandungan -COOH pada permukaan serat karbon meningkat secara signifikan.Kekuatan pemotongan antarmuka (IFSS) dari komposit CF/PEEK meningkat sebesar 60% dibandingkan dengan komposit yang tidak diobatiDibandingkan dengan pengobatan oksidasi udara, pengobatan oksidasi ozon lebih efektif.

Oksidasi elektrokimia umumnya melibatkan penggunaan serat karbon sebagai anoda dalam larutan elektrolit,mengontrol kondisi oksidasi permukaan dengan mengubah parameter seperti suhu reaksi, konsentrasi elektrolit, waktu perawatan, dan kepadatan arus. Seperti perawatan oksidasi lainnya, oksidasi elektrokimia memperkenalkan berbagai kelompok fungsional (ester, karboksil, hidroksil, dll.) pada permukaan serat, dengan demikian meningkatkan pembasmian serat, karakteristik perekat, dan ikatan dengan matriks, secara signifikan meningkatkan sifat mekanik komposit yang diperkuat serat karbon.ada banyak laporan tentang oksidasi elektrokimia dari permukaan serat karbonKonten terutama melibatkan pengaruh kondisi oksidasi, sifat dan morfologi permukaan serat karbon setelah oksidasi, dan mekanisme oksidasi.[4] Serat karbon teroksidasi secara elektrokimia dalam elektrolit campuran (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2OHasilnya menunjukkan bahwa gugus fungsional yang mengandung oksigen dan nitrogen pada permukaan serat karbon meningkat secara signifikan; tidak hanya kekuatan tarik serat karbon meningkat sebesar 17,1%,tapi kekuatan geser interlaminar (ILSS) dari komposit serat karbon juga meningkat sebesar 140,5%. Soo-Jin Park et al. menggunakan elektrolit amino komposit untuk melakukan perawatan aminasinya pada permukaan serat karbon berbasis PAN, mencapai nilai IFSS dan ILSS 117 GPa, 87 GPa dan 107 GPa, 103 GPa,masing-masing.

2.2 Pengolahan Plasma

Plasma adalah keadaan agregat materi yang mengandung jumlah partikel bermuatan positif dan negatif yang cukup dengan muatan yang kira-kira sama.Menggunakan oksidasi plasma untuk memodifikasi permukaan serat biasanya mengacu pada tindakan fisik dan kimia gas non-polimerisasi pada permukaan material. Gas non-polimerisasi dapat menjadi gas reaktif atau inert. Plasma oksigen umumnya digunakan, yang memiliki energi tinggi dan kekuatan oksidasi yang kuat.dapat mengoksidasi cacat seperti sudut dan tepi kristal atau struktur ikatan ganda menjadi gugus aktif yang mengandung oksigenHuang Yudong et al. mengobati serat karbon dengan udara plasma dan kemudian menghasilkan serat karbon / komposit fenolik.ILSS dan kekuatan micro-debinding antar muka antara serat tunggal dan resin matriks meningkat sebesar 52Xiong Jie et al. mengobati serat karbon dengan oksigen plasma dingin,dan beban fraktur maksimum dan indeks ketahanan dari mortir CFRP-cement mereka meningkat secara signifikan. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] mengadopsi metode pengolahan baru yang melibatkan fluorinasi serat karbon secara intermiten atau terus menerus satu sisi atau dua sisi menggunakan plasma,memasukkan gugus fluor pada permukaan serat karbon.

2.3 Pengolahan Lapisan

Pengolahan lapisan meliputi penerapan polimer tertentu pada permukaan serat untuk mengubah struktur dan sifat lapisan antarmuka komposit.lapisan dapat melindungi serat dari kerusakan, meningkatkan pengikatan serat, dan membantu memanfaatkan kekuatan serat; lapisan dapat mengubah sifat permukaan serat dan meningkatkan kelembaban serat dengan matriks resin;kelompok fungsional reaktif di lapisan memfasilitasi ikatan kimia antara permukaan serat dan matriks resin· Lapisan dapat mencegah hilangnya aktivitas permukaan setelah perawatan permukaan.[6] dilapisi dengan nanocoating polyimide (PI) dengan ketebalan sekitar 100 nm pada permukaan serat karbon T1000Ketika bundel serat karbon diregangkan, nanocoating PI membantu mencegah penyebaran cacat permukaan pada serat karbon dan mengurangi konsentrasi stres.meningkatkan kekuatan tarik serat karbon secara efektif.

3. Aplikasi Serat Karbon

3.1 Bidang Aerospace

Komposit serat karbon memiliki serangkaian keuntungan, termasuk kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang tinggi, ketahanan kelelahan yang baik, dan stabilitas dimensi yang sangat baik.Mereka berfungsi sebagai bahan dasar untuk pengembangan senjata generasi baru dan banyak digunakan sebagai bahan struktural untuk pesawat terbang dan pesawat ruang angkasaContoh-contohnya meliputi bahan struktural primer untuk sayap utama pesawat, sayap ekor, dan badan pesawat; bahan struktural sekunder seperti aileron, kemudi, lift, bahan interior,bahan lantai, balok, dan bantalan rem; bilah helikopter; kerucut knalpot roket, penutup mesin, dll.; badan struktur satelit, panel surya dan antena, kendaraan peluncur, dan casing rudal.

3.2 Bidang Penguatan Bangunan

Kekuatan spesifik komposit yang diperkuat serat jauh lebih tinggi daripada baja, dan modulus spesifiknya umumnya lebih tinggi daripada baja juga.Kinerja mekanik yang sangat baik ini telah menyebabkan aplikasi yang luas sebagai bahan penguat dan perbaikan untuk struktur teknik sipil di Jepang, Amerika Serikat, Eropa, dan negara-negara dan wilayah lainnya.Bahan serat karbon memiliki modulus elastis yang sebanding dengan baja sementara menunjukkan kekuatan tarik sepuluh kali lebih tinggi daripada baja biasa. ketahanan korosi dan daya tahan mereka juga sangat baik. oleh karena itu, ketika menggunakan serat karbon untuk memperkuat struktur beton, tidak ada baut atau nit tambahan yang diperlukan untuk pemasangan.Ketahanan korosi dan daya tahan yang luar biasa, gangguan pada struktur beton asli minimal, dan proses konstruksi sederhana dan nyaman.

Kesimpulan

Singkatnya, berbagai metode pengolahan permukaan untuk serat karbon masing-masing memiliki karakteristiknya sendiri.metode pengendapan uap dan plasma masih dalam tahap laboratorium baik secara domestik maupun internasional dan belum mencapai produksi industriDi antara metode oksidasi, oksidasi fase cair hanya cocok untuk operasi batch;Waktu reaksi untuk oksidasi fase gas tergantung pada jenis serat karbon dan tingkat oksidasi yang diinginkanOksidasi ganda gas-cairan sulit dikendalikan.Ini tidak hanya sangat meningkatkan kelembaban permukaan dan reaktivitas serat karbon tetapi juga memiliki kondisi perawatan ringan yang mudah dikendalikanPengolahan permukaan serat seragam, dan metode ini mudah diintegrasikan dengan jalur produksi serat karbon, menawarkan prospek luas untuk aplikasi dalam produksi serat karbon industri.

Referensi:

1. Qian Shuilin. Analisis aplikasi dan permintaan pasar serat karbon [J]. Petrochemical Technology & Economy, 2008, 24 ((1): 26-27.

2. Li L. Studi antarmuka pada komposit PEEK yang diperkuat dengan ozon dan serat karbon yang dimodifikasi oleh oksidasi udara [J].

3. Li J, Su Y H. Antarmuka yang diobati oksidasi pada sifat terminologis komposit PTFE yang diperkuat serat karbon di bawah kondisi pelumasan minyak [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Sifat antarmuka dan mekanik dari serat karbon yang dimodifikasi oleh oksidasi elektrokimia dalam larutan senyawa berair (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Ilmu Permukaan Terapan, 2010, 256 ((21): 6199 ∼6204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Fluorinasi plasma atmosfer terus menerus dari serat karbon [J]. Komposit Bagian A: Ilmu Terapan dan Manufaktur, 2008, 39 ((2)): 364?? 373.

6. Melanoma T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Efek dari lapisan nano polyimide yang sesuai pada sifat tarik dari serat karbon bertulang tinggi berbasis PAN [J].Komposit Sains dan Teknologi, 2009, 69 (((7-8): ... (referensi tidak lengkap seperti yang diberikan)