요약:

이 기사 는 탄소 섬유 의 구조 와 특성, 그리고 그 표면 처리 에 대한 일반적인 방법 들 을 소개 한다.또한 탄소 섬유의 응용 분야와 중국 탄소 섬유 개발의 현재 상태와 동향을 요약합니다..

1소개

탄소 섬유 는 금속 알루미늄 보다 밀도가 낮지만 강도 는 강철 보다 강하다. 또한 부식 저항성 과 높은 모듈을 가지고 있다.탄소 재료의 고유한 "고장" 특성과 섬유 섬유의 가공 가능성 (유연성) 을 모두 갖춘, 그것은 항공, 항공우주, 운송, 스포츠 및 레저 상품, 의료 장치, 기계,직물탄소 섬유 산업은 선진국의 기둥 산업의 업그레이드 및 국가 경제의 전반적인 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을합니다.또한 중국의 전통적인 재료의 산업 구조 개편과 업그레이드에도 큰 의미가 있습니다. [1].

1.1 탄소섬유의 구조

탄소 섬유는 그래피트의 기본 구조를 가지고 있지만 이상적인 그래피트 격자 구조가 아닙니다. 오히려 터보스트라틱 그래피트 구조로 알려진 것을 가지고 있습니다 (그림 1-1 참조).폴리 크리스탈린 구조를 형성하는 기본 단위는 육각형 탄소 원자 층 격자입니다, 층 평면을 형성한다. 층 평면 내에서 탄소 원자는 0.1421 nm의 결합 길이의 강한 공동 결합으로 결합된다. 층 평면 사이에 약한 반더 발스 힘이 작용한다.0,0에서 1까지의 간층 간격으로.3360 nm ~ 0.3440 nm. 층 사이의 탄소 원자는 규칙적인 고정 위치가 없으며, 균일하지 않은 층 가장자리를 초래합니다. 그래피트 구조와 비교하면,탄소섬유의 탄소 원자 층은 불규칙한 변환과 회전으로 인해, 그러나 육각형 공동 결합 탄소 원자 층은 본질적으로 섬유 축에 평행하여 섬유에 매우 높은 축적 팽창 모듈을 제공합니다.터보스트라틱 그래피트 구조에서, 그래피트 층은 서로 교차하는 가장 기본적인 구조적 단위입니다.그 차례로 지름 약 50nm, 길이가 수백 나노미터의 섬유질을 형성합니다.마지막으로, 이 섬유질은 일반적으로 지름 6~8μm의 개별적인 탄소 섬유 단열을 형성합니다.

1.2 탄소섬유의 형성

탄소 섬유의 형성 과정에서 표면에 다양한 미세 결함이 형성됩니다. 이것은 전신 섬유의 탄화 과정에서 많은 수의 원소와 다양한 기체 (CO2,CO, H2O, NH3, H2, N2) 가 생성되고 탈출하여 섬유 표면과 내부에 공허와 결함이 발생합니다. 특히 가스 진화가 특정 단계에서 너무 격렬하면,섬유 표면과 내부에 형성 된 공허점과 결함이 더 심해집니다.탄소 섬유에서 관찰 된 주요 결함은 다섯 가지 유형을 포함합니다: 중앙 구멍, 양모각 빈 공간, 포함, 바늘 모양의 구멍 및 표면 균열.표면 결함을 둘러싼 미세 결정적 기초 평면은 결함의 모양에 적합합니다., 그리고 결함 주위의 무질서한 방향의 영역은 증가합니다. 탄소 섬유에서,그래피트 층의 가장자리에 있는 탄소 원자와 표면의 결함된 부위의 탄소 원자는 층 내부의 손상되지 않은 기초 탄소 원자와 다릅니다.층 내의 기초 탄소 원자는 대칭력을 경험하고, 높은 결합 에너지를 가지고 있으며, 낮은 반응성을 나타냅니다.표면 가장자리에 있는 탄소 원자와 표면 결함들은 비대칭력을 경험합니다.이 때문에 탄소 섬유의 표면 활동은 가장자리 및 결함 부위의 탄소 원자 수와 관련이 있습니다.

1.3 탄소섬유의 특성

탄소 섬유는 밀도가 낮고 가벼우며 전기 전도성이 좋으며, 자기적이지 않으며, 전자기파 보호 기능을 가지고 있으며, 엑스선 전파를 잘 전달합니다.최근 몇 년 동안, 탄소 섬유 비용의 감소와 복합 재료 제조 기술의 발전으로 인해, 그들은 전자기 보호 복합 재료에 대한 연구 핫 스팟이되었습니다.탄소 섬유의 화학적 구성은 C와 같은 원소를 포함합니다., N, O, H 및 미량 금속 불순물, 표면 화학 성분은 C, O, H입니다. 또한, 케톤, 카복실, 하이드록실 그룹과 같은 일부 극 반응 그룹이 표면에 존재합니다.하지만 그 양은 아주 작습니다.결과적으로 처리되지 않은 탄소 섬유는 부드러운 표면, 낮은 반응성, 작은 특정 표면 (일반적으로 1 m2 · g-1 미만), 물에 습해지는 큰 각도, 수분 혐오성,부적절한 결합 및 분산 특성탄소 섬유는 산화 물질과 높은 온도에서 공기 안의 산소로 산화될 수 있다는 점을 이용하여,표면 탄소 원소는 산소를 함유 한 그룹으로 산화 될 수 있습니다., 따라서 탄소 섬유의 인터페이스 접착력, 수분성 및 화학적 안정성을 향상시킵니다.

2탄소 섬유의 표면 처리 연구 진행

제조 도중, 탄소 섬유 는 고온 무활성 가스 대기에 탄화 처리 를 받습니다. 탄소 이 아닌 원소 들 이 빠져나와 탄소가 풍부 해지 되면서,탄소 섬유 표면에 활성 기능 그룹의 수가 감소합니다.또한 탄소 섬유의 팽창 강도를 향상시키기 위해서는 표면 결함이 가능한 한 최소화되어야합니다.작은 특정 표면적이 부드러운 표면은 매트릭스와 약한 앙커링 효과로 이어집니다.탄소섬유 복합재의 표면 강도를 줄이고 탄소섬유의 높은 성능을 제한합니다.따라서 탄소 섬유와 매트릭스 재료 사이의 인터페이스 접착력을 개선하고 탄소 섬유의 높은 강도와 높은 모듈스 특성을 완전히 활용하기 위해탄소 섬유의 표면 변형은 수분성 및 매트릭스와의 접착력을 향상시키기 위해 필요합니다., 따라서 복합재의 인터페이스 결합 성능을 향상시킵니다.

탄소 섬유의 표면 변형은 다음 세 가지 효과를 얻을 수 있습니다.

• 약한 인터페이스 계층의 형성을 방지합니다. 약한 인터페이스 계층에는 주로 흡수 불순물, 방출 물질, 산화물 계층, 인터페이스 노화 과정에서 형성 된 수분 계층이 포함됩니다.그리고 마트릭스에 대한 수분 부족으로 인해 공기 층이 갇혀 있습니다..

• 접착에 적합한 표면 형태를 생성하여 강화 재료 표면에?? 凸을 생성하여 고정 효과를 통해 인터페이스 결합 성능을 향상시킵니다.

• 樹脂과 강화재료 사이의 친밀도를 높이기 위해 강화재료 표면을 적당히 극적인 덮개 물질로 코팅합니다.또는 기능 그룹을 도입하기 위해 표면에 화학적 처리, 따라서 인터페이스 접착 성능을 향상시킵니다.

현재 탄소 섬유의 표면 수정에 사용되는 주요 방법은 산화 처리, 코팅 처리, 플라스마 처리, 화학 증기 퇴적 처리,표면 이식 처리, 초중심 액체 처리.

2.1 가스화 산화 처리

산화 처리 는 탄소 섬유 의 표면 특성을 개선 하고 조절 하는 중요한 접근 방법 이다. 산화 처리 를 통해, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소, 탄소,그리고 탄일 그룹은 섬유 표면에 생성될 수 있습니다., 섬유와 樹脂 매트릭스 사이의 화학 반응이 인터페이스 결합을 형성하도록 허용합니다. 그러나,이 방법은 또한 탄소 섬유의 구조를 손상시키고 물리적 및 화학적 특성에 영향을 줄 수 있습니다., 따라서 산화 시간은 신중하게 제어되어야합니다. 산화 처리에는 주로 3 가지 방법이 포함됩니다. 가스 단계 산화, 액체 단계 산화 및 전기 화학 산화.가스화 산화 는 산화 가스를 사용하여 섬유 표면을 산화 한다, 포럴 그룹 ( -OH 등) 을 도입하고 복합재의 횡단 강도를 향상시키기 위해 적절한 거칠성을 제공합니다.산화 온도는 처리 결과에 상당한 영향을 미친다.J. Li et al. [2-3]는 각각 공기 산화와 오존 산화로 탄소 섬유를 처리하고, 탄소 섬유/폴리 에테르 케톤 (PEEK) 복합체를 생산하기 위해 폴리메리러화했습니다.그 결과 오존 산화 후, 탄소 섬유 표면의 -COOH 함량은 크게 증가했습니다.CF/PEEK 복합재료의 인터페이스 절단 강도 (IFSS) 는 처리되지 않은 것과 비교하여 60% 증가했습니다.공기 산화 치료에 비해 오존 산화 치료가 더 효과적이었다.

전기화학 산화에는 일반적으로 전해질 용액의 안오드로서 탄소 섬유를 사용하는 것이 포함됩니다.반응 온도와 같은 매개 변수를 변경하여 표면 산화 상태를 제어합니다.다른 산화 처리와 마찬가지로 전기 화학 산화에는 다양한 기능 그룹 (에스터, 카복실, 하이드록실 등) 이 도입됩니다.) 가 섬유 표면에, 이로써 섬유 수분화, 접착 특성과 매트릭스와 결합을 개선하여 탄소 섬유로 강화 된 복합재의 기계적 특성을 크게 증가시킵니다. 현재,탄소 섬유 표면의 전기 화학 산화에 대한 많은 보고서가 있습니다이 내용은 주로 산화 조건의 영향, 산화 후 탄소 섬유 표면의 특성 및 형태 및 산화 메커니즘을 포함합니다.[4] 혼합된 (NH4HCO3)/ (NH4) 2C2O4·H2O 전해질의 전기 화학 산화 탄소 섬유결과, 탄소섬유 표면의 산소와 질소를 포함하는 기능 그룹이 현저하게 증가했습니다. 탄소섬유의 팽창 강도는 17.1% 증가했을 뿐만 아니라,하지만 탄소섬유 복합재의 횡단 강도 (ILSS) 는 또한 14.5%. Soo-Jin Park et al.는 PAN 기반 탄소 섬유의 표면 아미네이션 처리를 위해 복합 아민 전해질을 사용하여 IFSS 및 ILSS 값을 117 GPa, 87 GPa 및 107 GPa, 103 GPa,각각.

2.2 플라즈마 처리

플라즈마는 약 같은 전하를 가진 양전하와 음전하의 입자가 충분한 수를 포함하는 물질의 집합 상태입니다.섬유 표면을 수정하기 위해 플라즈마 산화를 사용하는 것은 일반적으로 물질 표면에 비 폴리머화 가스의 물리적 및 화학적 작용을 의미합니다.. 비 폴리메리징 기체는 반응성 또는 관성 기체일 수 있다. 플라즈마 산소는 일반적으로 사용되며, 높은 에너지와 강한 산화력을 가지고 있다. 탄소 섬유 표면에 영향을 미칠 때,산소를 함유 한 활성 그룹으로 결정 모서리와 가장자리 또는 이중 결합 구조와 같은 결함을 산화 할 수 있습니다.허앙 유동 등은 탄소 섬유를 플라즈마 공기로 처리하고 탄소 섬유/페놀 복합체를 생산했습니다.ILSS 및 단일 섬유와 매트릭스 樹脂 사이의 인터페이스 미세 해제 힘 52 증가.8% 및 56.5%로 증가했으며 최종 제품의 표면 결합 성능은 40% 이상 증가했습니다.그리고 그들의 CFRP 시멘트 밀터의 최대 파열 부하와 강도 지수는 크게 증가킨즐리 킨 치 호 et al. [5]는 플라즈마를 사용하여 탄소 섬유의 간헐적 또는 연속적 인 일방적 또는 이방적 인 플루오링을 포함하는 새로운 처리 방법을 채택했습니다.탄소섬유 표면에 플루오르 그룹을 도입하는 것.

2.3 코팅 처리

코팅 처리는 섬유 표면에 특정 폴리머를 적용하여 복합 인터페이스 계층의 구조와 특성을 변경하는 것을 포함한다. 표면 코팅은 다음과 같은 기능을 수행합니다.코팅은 섬유를 손상으로부터 보호 할 수 있습니다., 섬유 결합을 개선하고 섬유 강도를 활용하는 데 도움이됩니다. 코팅은 섬유의 표면 특성을 변경하고 합금 매트릭스와 섬유 수분을 향상시킬 수 있습니다.코팅의 반응 기능 그룹은 섬유 표면과 樹脂 행렬 사이의 화학 결합을 촉진합니다.표면 처리 후 표면 활동의 손실을 방지 할 수 있습니다. Tamaki Melanoma et al.[6] T1000 탄소 섬유의 표면에 약 100 nm 두께의 폴리마이드 (PI) 나노 코팅을 가집니다.탄소 섬유 뭉치가 펴졌을 때, PI 나노 코팅은 탄소 섬유에 표면 결함의 전파를 방지하고 스트레스 농도를 줄이는 데 도움이되었습니다.탄소 섬유의 팽성 강도를 효과적으로 향상시키는.

3탄소 섬유의 응용

3.1 항공우주분야

탄소 섬유 복합재는 높은 특이 강도와 특이 모듈, 좋은 피로 저항성 및 우수한 차원 안정성 등 일련의 장점을 가지고 있습니다.그들은 새로운 세대의 무기 개발의 기본 재료로 사용되며 항공기와 우주선에 대한 구조 재료로 널리 사용됩니다.예를 들어 항공기 주 날개, 꼬리 날개 및 몸체에 대한 1차 구조 재료; 에일론, 루머, 엘리베이터, 내부 재료와 같은 2차 구조 재료바닥 재료, 빔 및 브레이크 패드; 헬리콥터 블레이드; 로켓 배기가스 콘, 엔진 커버, 등; 위성 구조체, 태양 전지 패널 및 안테나, 발사체 및 미사일 껍질.

3.2 건물 강화장

섬유로 강화 된 복합재의 특이 강도는 강철보다 훨씬 높으며, 그 특이 모듈도 일반적으로 강철보다 높습니다.이 탁월 한 기계적 성능 은 일본 에서 토목 공학 구조물 의 강화 및 수리 재료 로 광범위 한 사용 을 가져왔다, 미국, 유럽, 그리고 다른 국가와 지역.탄소 섬유 물질 은 강철 과 비교 할 수 있는 탄력 모듈 을 가지고 있으며 일반 강철 보다 10 배 더 높은 팽창 강도를 나타낸다또한, 탄소 섬유 를 콘크리트 구조 를 강화 하기 위해 사용 할 때, 고정 하기 위해 추가적인 볼트 나 니트 가 필요 하지 않습니다.부식 저항력 과 내구성 이 탁월 하다, 원래 콘크리트 구조에 대한 장애는 최소이며 건설 과정은 간단하고 편리합니다.

결론

요약하자면, 탄소 섬유의 다양한 표면 처리 방법은 각각 고유 한 특성을 가지고 있습니다.증기 퇴적 및 플라즈마 방법은 국내 및 국제적으로 여전히 실험 단계이며 아직 산업 생산을 달성하지 못했습니다.· 결합 매개체 코팅 및 폴리머 코팅 방법은 중요하지 않은 효과를 나타냅니다. 산화 방법 중 액체 단계 산화 방법은 대량 작업에만 적합합니다.가스화 산화 반응 시간은 탄소 섬유의 종류와 원하는 산화 정도에 달려 있습니다.가스와 액체의 이중 산화 는 통제 하기 어렵다. 상대적으로 말하면, 전기 화학 산화 는 가장 많은 이점을 가지고 있다.그것은 단지 대면 수분성과 탄소 섬유의 반응성을 크게 향상시킬뿐만 아니라 제어하기 쉬운 가벼운 처리 조건을 제공합니다.섬유 표면 처리는 균일하며, 방법은 탄소 섬유 생산 라인과 쉽게 통합되어 산업 탄소 섬유 생산에서 광범위한 응용 가능성을 제공합니다.

참조:

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2. 리 L. 오존 및 공기 산화로 변형 된 탄소 섬유 강화 된 PEEK 복합 물질에 대한 인터페이스 연구 [J]. 표면 및 인터페이스 분석, 2009, 41 ((4): 310-315.

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4. (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O 수분 화합물 용액에서 전기 화학 산화로 변형된 탄소 섬유의 인터페이스 및 기계적 특성 [J].응용 표면 과학, 2010, 256 ((21): 6199 ∼ 6204.

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