概要:

この 記事 で は,炭素 繊維 の 構造 と 特性,また 表面 処理 の 一般 的 な 方法 が 紹介 さ れ て い ます.また,炭素繊維の応用分野や,中国における炭素繊維開発の現状と動向を要約しています..

1紹介

炭素繊維は,金属アルミニウムよりも密度が低いが,鋼鉄よりも強度が高い繊維性炭素材料である.また,耐腐蝕性および高モジュール性がある.炭素材料の固有の"硬さ"特性と繊維繊維の加工能力の両方を備えている (柔軟性)航空,航空宇宙,輸送,スポーツやレジャー用品,医療機器,機械,繊維品炭素繊維産業は,先進国における柱産業の向上や,国民経済の全体的な質の向上において重要な役割を果たしています.また,中国の伝統的な材料の産業再編とアップグレードにも大きな意味がある [1].

1.1 炭素繊維の構造

炭素繊維は,グラフィットの基本構造を有するが,理想的なグラフィット格子構造ではない.むしろ,ターボストラティックグラフィット構造として知られるものを保有している (図1-1参照).ポリ結晶構造を構成する基本単位は六角形の炭素原子層格子層平面を構成する.層平面内では,炭素原子は0.1421nmの結合長さの強い共性結合によって結合され,層平面の間には弱いヴァン・デル・ワールス力が作用する.インターレイヤー間隔が0から.3360 nm から 0.3440 nm. 層間の炭素原子は固定位置を保持していないため,層の縁が不均等である.炭素繊維の炭素原子層は不規則な転移と回転を経験しますしかし,六角形共性結合の炭素原子層は,基本的に繊維軸に平行に並べられ,繊維に非常に高い軸性拉伸モジュールを与えます.ターボストラティックグラフィット構造でグラフィット層は最も基本的な構造単位で 互いに交差しています 数層から数十層までがグラフィット結晶体を形成します半径約50nm,長さ数百ナノメートルの繊維を形成する最後に,これらの繊維は,典型的には直径6~8μmの個々の炭素繊維モノフィラメントを形成する.

1炭素繊維の形成

炭素繊維の形成過程で,様々な微小欠陥が表面に形成される.これは,前駆繊維の炭化過程で,多数の元素と様々なガス (CO2などの),CO繊維表面と内部に穴と欠陥が生じる.特にガス進化が一定段階ではあまりにも激しくなった場合,繊維表面と内部に形成された空白と欠陥がより深刻になります炭素繊維の主な欠陥は,中央の穴,二角形空洞,インクルージョン,針状の毛穴,表面の裂け目など5種類である.表面の欠陥の周りの微結晶ベース平面は欠陥の形に適合するカーボン繊維では,この線形は,グラフィット層の縁にある炭素原子と表面上の欠陥のある場所にある炭素原子は,層内の完ぺきな基礎炭素原子と異なります層内の基礎炭素原子は対称力があり,結合エネルギーが高く,反応性が低い.表面の縁と表面欠陥の炭素原子は不対称な力を経験します炭素繊維の表面活性は,縁や欠陥部位にある炭素原子の数と関係している.

1.3 炭素繊維の特性

炭素繊維は低密度で重量も軽く 電気伝導性が良好で 磁性でないし 電磁波遮蔽能力があり X線伝達性が良好です近年炭素繊維のコストが下がり,複合材料製造技術の進歩により,電磁シールド複合材料の研究ホットスポットになりました.炭素繊維の化学組成には,Cのような元素が含まれます.表面の化学組成はC,O,H. さらに,ケトン,カルボキシル,ヒドロキシルなどの極性反応型グループが表面に存在します.しかし,その量は非常に小さい.その結果,処理されていない炭素繊維は平らな表面,低反応性,小さな特異表面積 (一般的に1m2·g−1未満),水中の湿度,水害性,結合と分散の性質が悪い炭素繊維が高温の空気中の酸化剤や酸素によって酸化される可能性を利用し,表面の炭素元素は酸素を含むグループに酸化される炭素繊維の接着性,湿度,化学的安定性を向上させる.

2炭素繊維の表面処理に関する研究進展

製造中,炭素繊維は高温の惰性ガス大気の中で炭化処理を受けます.非炭素元素が脱出し,炭素が濃縮されるにつれて,炭素は炭素の濃度を減少させ,炭素は炭素の濃度を減少させ,炭素は炭素の濃度を減少させ,炭素は炭素の濃度を増加させ,炭素は炭素の濃度を増加させ,炭素は炭素の濃度を増加させます.炭素繊維表面の活性機能基数の減少さらに,炭素繊維の張力強さを向上させるために,表面の欠陥をできるだけ最小限に抑える必要があります.特定の表面積が小さいこの滑らかな表面は,マトリックスとの固定効果が弱くなる.炭素繊維複合材料の表面強度を低下させ,炭素繊維の高性能を完全に制限するしたがって,炭素繊維とマトリックス材料の間の接着性を改善し,炭素繊維の高強度と高モジュール特性を完全に利用するために,炭酸繊維の表面の変更は,水浸しやすさとマトリックスへの粘着性を高めるために必要である複合材料の接着性能を向上させる.

炭素繊維の表面変形により,次の3つの効果が得られる.

• 弱いインターフェース層の形成を防止する.弱いインターフェース層には主に吸収された不純物,放出剤,酸化層,インターフェース老化時に形成された水分層が含まれます.マトリックスで濡れが不十分で空気の層が閉じ込められている.

• 粘着に適した表面形状を生成し,強化材料の表面に凸起を作り,アンカー効果によってインターフェイス結合性能を改善する.

• 樹脂と補強材との間の親和性を向上させるため,補強材の表面を適正な極性覆い剤で覆う.表面に化学処理を施し,機能グループを導入する表面結合性能を向上させる.

現在,炭素繊維の表面修正に使用されている主な方法は,酸化処理,コーティング処理,プラズマ処理,化学蒸気堆積処理,表面移植処理超臨界流体処理

2.1 ガス相酸化処理

酸化処理は,炭素繊維の表面特性を改善し,調節するための重要なアプローチです.酸化処理によって,カーボキシル,ヒドロキシル,繊維表面に炭素基が生成される繊維と樹脂マトリックス間の化学反応により 接膜結合が形成される.この方法により,炭素繊維の構造も損傷し,物理的および化学的性質に影響を与えます.酸化処理には主に3つの方法が含まれる.ガス相酸化,液相酸化,電気化学酸化.ガス相酸化 は 酸化 ガス を 用い て 繊維 表面 を 酸化 する複合材料のインターラミナー切断強度を向上させるため,極性グループ (−OHなど) を導入し,適切な粗さを提供します.酸化温度が処理結果に重要な影響を与えるJ. Li et al. [2-3] は,それぞれ空気の酸化とオゾン酸化を用いて炭素繊維を処理し,それらをポリメリ化して炭素繊維/ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) 複合材料を製造した.オゾン酸化後,炭素繊維表面の -COOH 含有量は著しく増加しました.酸化時間は3分です.CF/PEEK複合材料の表面切断強度 (IFSS) は,処理されていない複合材料と比較して60%増加しました空気酸化処理と比較して,オゾン酸化処理はより効果的でした.

電気化学酸化は,一般的に,電解質溶液のアンードとして炭素繊維を使用することを含む.反応温度などのパラメータを変更することによって表面酸化状態を制御する電気化学酸化は,他の酸化処理と同様に,様々な機能群 (エステル,カルボキシル,ヒドロキシルなど) を導入する.) 繊維表面に炭素繊維強化複合材料の機械的性能を大幅に向上させ,繊維の湿化,粘着特性,マトリックスとの結合を向上させる.炭素繊維の表面の電気化学酸化に関する報告はたくさんあります内容は主に酸化条件の影響,酸化後の炭素繊維表面の性質と形態,酸化メカニズムを含む.[4] 混合 (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O電解液中の電気化学的に酸化された炭素繊維炭素繊維の張力強度は17.1%増加しただけでなく,炭素繊維の張力強度は17.1%増加した.しかし,炭素繊維複合材料のインターラミナー切断強度 (ILSS) も14%増加しました. 5% Soo-Jin Park et al. は,PAN ベースの炭素繊維の表面アミネーション処理を行うために複合アミン電解液を使用し,IFSS と ILSS の値が 117 GPa, 87 GPa と 107 GPa, 103 GPa に達しました.分類して.

2.2 プラズマ処理

プラズマは,ほぼ等価な電荷を持つ,十分な数の正電荷と負電荷の粒子を含む物質の総体状態である.繊維表面を改変するためにプラズマ酸化を使用することは,通常,材料表面上の非ポリマー化ガスの物理的および化学的作用を指す.ポリメリ化しないガスは,反応性または惰性ガスを含む.プラズマ酸素が一般的に使用され,高エネルギーと強い酸化力を有する.炭素繊維表面に影響すると,酸素は酸素を吸収し,酸素は酸素を吸収し,酸素は酸素を吸収する.それは,結晶の角や縁や二重結合構造などの欠陥を酸素を含む活性グループに酸化することができます.処理時間が20分だったとき,この実験は,炭素繊維とフェノル複合物を生成しました.単一繊維とマトリックス樹脂間のILSSとインターフェイスマイクロ解結力は52増加.8%と56.5%で,最終製品の接着性能が40%以上向上しました.CFRPセメントモルターの最大割れ負荷と強度指数は著しく増加しました. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] は,プラズマを用いた炭素繊維の断続的または連続的な単面または双面性フッ素化を含む新しい処理方法を採用した.炭素繊維表面にフッ素群を導入する.

2.3 塗装処理

コート処理は,繊維表面に特定のポリマーを塗り込み,複合性インターフェース層の構造と特性を変更することを含む.表面コーティングは以下の機能を果たします:覆い は 繊維 を 損傷 から 守る こと が でき ます繊維の結合を改善し,繊維の強さを利用するのに役立ちます.コーティングは繊維の表面特性を変更し,樹脂マトリックスと繊維の湿度を改善することができます.コートメント内の反応機能群は,繊維表面と樹脂マトリックス間の化学結合を容易にする表面処理後の表面活性喪失を防ぐことができます.[6] T1000炭素繊維の表面に約100nm厚のポリミド (PI) ナノコーティングを塗装した炭素繊維の束が伸びたとき,PIナノコーティングは,炭素繊維の表面欠陥の拡散を防止し,ストレスの濃度を低下させました.炭素繊維の拉伸強度を効果的に向上させる.

3炭素繊維の応用

3.1 航空宇宙分野

炭素繊維複合材料は,高固力および高固度モジュール,優れた疲労耐性,優れた寸法安定性など,一連の利点があります.新世代の兵器の開発のための基本的な材料として機能し,航空機や宇宙船の構造材料として広く使用されています機体主翼,尾翼,機体体のための主要な構造材料;エーレロン,ルマー,エレベーター,内部材料などの二次構造材料.床材料レーザー,ビーム,ブレーキパッド,ヘリコプターの刃物,ロケットの排気孔,エンジンカバーなど,衛星構造体,太陽光パネルとアンテナ,打ち上げ車両,ミサイルハイス.

3.2 建物の強化場

繊維強化複合材の固度が鋼材よりもはるかに高く,固度モジュールも鋼材よりも一般的に高い.この 優れた 機械 的 性能 に よっ て,日本 の 土木 施工 構造物 の 強化 材料 と 修理 材料 と し て 広く 用い られ て い ます.アメリカ,ヨーロッパ,その他の国や地域.炭素繊維の材料は,鉄鋼と比べられる弾性模数を持ち,平凡な鉄鋼より10倍高い張力強度を示している.耐腐蝕性 と 耐久性 も 優れている.それゆえ,コンクリート 構造 を 強化 する ため に 炭素 繊維 を 使用 する と,固定 する ため に 追加 の ボルト や ニット が 必要 で は あり ませ ん.耐腐食性 と 耐久性 は 卓越 し て い ます, 元のコンクリート構造への混乱は最小で,建設プロセスはシンプルで便利です.

結論

概要すると,各種類の炭素繊維の表面処理方法はそれぞれ独自の特性があります.蒸気堆積とプラズマ方法はまだ国内外で実験段階にあり,工業生産にはまだ到達していない.結合剤塗装とポリマー塗装方法では,効果はほとんどない.酸化方法の中で,液相酸化は,バッチ操作にのみ適している.ガス相酸化の反応時間は,炭素繊維の種類と望ましい酸化度に依存する.ガス液体二重酸化は制御が困難である.相対的に言えば,電気化学酸化が最も利点がある.表面の湿度と炭素繊維の反応性を大幅に改善するだけでなく,制御が容易な軽度の処理条件も備えています繊維表面処理は均一で,この方法は炭素繊維生産ラインに簡単に統合され,産業用炭素繊維生産における幅広い応用見通しを提示します.

参考資料:

1. クイアン・シュイリン.炭素繊維の応用と市場需要分析 [J].石油化学技術と経済学,2008,24(1): 26-27.

2. リ・L. オゾンと空気酸化によって改変された炭素繊維強化PEEK複合材料に関するインターフェース研究 [J]. 表面とインターフェース分析,2009, 41 ((4): 310-315.

3. [J] 酸化処理されたインターフェースと油脂潤滑条件下における炭素繊維強化PTFE複合体の用語特性に関する表面とインターフェース分析,2009, 41 (((5):333-337 年.

4. (NH4HCO3)/(NH4)2C2O4·H2O水性化合物溶液における電気化学酸化によって変化した炭素繊維のインターフェイスおよび機械的特性 [J].応用表面科学2010年 256 (※21): 6199・6204

5. キンズリー・K・C・H,アダム・F・L,ラモリニエール・S,ビスマーク・A. 炭素繊維の連続的な大気プラズマフッ化 [J].複合材料A部分:応用科学と製造,2008,39(2): 364?? 373.

6. メラノーマ T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. 適合型ポリアミドナノコーティングが高強度PANベースの炭素繊維の拉伸特性に対する影響 [J].複合材料 科学 技術2009年6月7日 (火) ... (提供された不完全な参照)