خلاصه مطلب:

این مقاله ساختار و خواص فیبر کربن و همچنین روش های رایج برای درمان سطح آنها را معرفی می کند.همچنین زمینه های کاربرد فیبر کربن و وضعیت فعلی و روند توسعه فیبر کربن در چین را خلاصه می کند.

1مقدمه

فیبر کربن یک ماده کربن فیبری است که تراکم آن کمتر از آلومینیوم فلزی است اما قدرت آن بیش از فولاد است. همچنین دارای مقاومت در برابر خوردگی و ماژول بالا است.دارای هر دو ویژگی ذاتی "سخت" مواد کربن و قابلیت پردازش فیبرهای نساجی (مضغ)، این یک نسل جدید از مواد پیشرفته با استفاده دوگانه (نظامی و غیرنظامی) است که به طور گسترده ای در هواپیمایی، هوافضا، حمل و نقل، کالاهای ورزشی و اوقات فراغت، دستگاه های پزشکی، ماشین آلات،پارچه هاصنعت فیبر کربن نقش مهمی در ارتقاء صنایع ستون در کشورهای توسعه یافته و حتی در بهبود کیفیت کلی اقتصاد ملی دارد.همچنین برای بازسازی صنعتی و ارتقاء مواد سنتی در چین اهمیت زیادی دارد [1].

1.1 ساختار فیبرهای کربن

فیبر کربن دارای ساختار پایه گرافیت است، اما یک ساختار شبکه گرافیت ایده آل نیست؛ بلکه آنها دارای آنچه که به عنوان ساختار گرافیت توربوستراتیک شناخته می شود (شکل 1-1 را ببینید).واحدهای اساسی که ساختار پلی کریستال را تشکیل می دهند شبکه های لایه ای شش گوشه ای از اتم کربن هستند، که سطوح لایه ای را تشکیل می دهند. در داخل سطوح لایه، اتم های کربن با پیوندهای کووالنت قوی با طول پیوندهای 0.1421 نانومتر متصل می شوند؛ بین سطوح لایه، نیروهای ضعیف ون در والز عمل می کنند،با فاصله بین لایه ها از 0.3360 نانومتر تا 0.3440 نانومتر. اتم های کربن بین لایه ها هیچ موقعیت ثابت منظم ندارند، که منجر به لبه های لایه ناهموار می شود. در مقایسه با ساختار گرافیت،لایه های اتم کربن در فیبر کربن تحت انتقال و چرخش نامنظم قرار می گیرند.، اما لایه های اتم کربن هکساگونال که با پیوند کووالنت متصل هستند اساساً موازی با محور فیبر قرار دارند و به فیبر یک ماژول کشش محوری بسیار بالا می دهند.در ساختار گرافیت توربستراتیک، لایه های گرافیت اساسی ترین واحدهای ساختاری هستند که با یکدیگر متقاطع می شوند. چندین تا ده ها لایه از کریستالیت های گرافیت تشکیل می دهند،که به نوبه خود فیبریل هایی با قطر حدود 50 نانومتر و طول چند صد نانومتر تشکیل می دهند.در نهایت، این فیبریل ها تک رشته های فیبر کربن را تشکیل می دهند که معمولاً قطر آنها 6-8 μm است.

1.2 تشکیل فیبر کربن

در طول تشکیل الیاف کربن، نقایص مختلف میکروکو در سطح تشکیل می شوند. این به این دلیل است که در طول کربوناسیون الیاف پیشگام، تعداد زیادی از عناصر و گاز های مختلف (مانند CO2 ،CO، H2O، NH3، H2، N2) تولید می شوند و فرار می کنند، که منجر به حفره ها و نقص در سطح فیبر و داخلی می شود.حفره ها و نقص هایی که در سطح فیبر و داخل آن ایجاد می شوند شدیدتر می شوند.نقص های اصلی مشاهده شده در فیبر کربن شامل پنج نوع است: سوراخ های مرکزی، حفره های دو مخروطی، گنجینه ها، منافذ شبیه سوزن و ترک های سطحی.مسطح های پایه ای میکرو کریستال در اطراف نقص های سطحی با شکل نقص مطابقت دارند، و منطقه ی جهت گیری نامنظم اطراف نقص افزایش می یابد.اتم های کربن در لبه لایه های گرافیت و آنهایی که در نقاط معیوب در سطح متفاوت از اتم های کربن پایه سالم در درون لایه هااتم های کربن پایه در درون لایه ها از نیروهای تقارن پذیر برخوردار هستند، انرژی پیوند بالایی دارند و واکنش پذیری پایین دارند.اتم های کربن در لبه های سطح و نقایص سطح نیروهای نامتقارن را تجربه می کنندبنابراین، فعالیت سطحی فیبر کربن با تعداد اتم های کربن در لبه ها و نقاط نقص مرتبط است.

1.3 خواص فیبرهای کربن

فیبر کربن دارای تراکم پایین، وزن سبک، رسانایی الکتریکی خوب، غیر مغناطیسی، دارای قابلیت محافظت از امواج الکترومغناطیسی و نشان دهنده انتقال خوبی اشعه ایکس است.در سال های اخیر، با توجه به کاهش هزینه های فیبر کربن و پیشرفت در فناوری تولید مواد ترکیبی، آنها به یک نقطه گرم تحقیق برای کامپوزیت های محافظ الکترومغناطیسی تبدیل شده اند.ترکیب شیمیایی عمده فیبر کربن شامل عناصر مانند C، N، O، H، و ناخالصی های فلزی ردیابی، در حالی که ترکیب شیمیایی سطح C، O، H است. علاوه بر این، برخی از گروه های واکنش قطبی مانند گروه های کتون، کاربکسیل و هیدروکسیل در سطح وجود دارد،اما تعدادشون خيلي کوچيکهدر نتیجه، فیبر کربن بدون درمان دارای سطح صاف، واکنش پذیری پایین، سطح خاص کوچک (معمولا کمتر از 1 m2 · g - 1) ، زاویه رطوبت بزرگ در آب، هیدروفوبیت،و خواص ضعیف اتصال و پراکندگیاز این واقعیت که فیبرهای کربن می توانند توسط عوامل اکسید کننده و اکسیژن در هوا در دمای بالا اکسید شوند، استفاده می کنند.عناصر کربن سطحی می توانند به گروه های حاوی اکسیژن اکسید شوند، در نتیجه چسبندگی رابط، رطوبت پذیری و ثبات شیمیایی فیبر کربن را بهبود می بخشد.

2پیشرفت تحقیقات در درمان سطح فیبر کربن

در طول آماده سازی، الیاف کربن تحت درمان کربونیزه در یک اتمسفر گاز بی اثر با دمای بالا قرار می گیرند.تعداد گروه های کاربردی فعال روی سطح فیبر کربن کاهش می یابدعلاوه بر این، برای بهبود مقاومت کششی فیبر کربن، نقص های سطحی باید تا حد ممکن به حداقل برسد.در نتیجه یک سطح خاص کوچکاین سطح صاف منجر به یک اثر لنگر اندازی ضعیف با ماتریس می شود،کاهش مقاومت سطح فیبر کربن و محدود کردن عملکرد بالای فیبر کربنبنابراین برای بهبود چسبندگی رابط بین فیبر کربن و مواد ماتریس و استفاده کامل از ویژگی های قدرت بالا و ماژول بالا فیبر کربن،اصلاح سطح فیبر کربن برای افزایش رطوبت و چسبندگی با ماتریس ضروری است.، در نتیجه بهبود عملکرد پیوند بین سطح ترکیب.

اصلاح سطح فیبر کربن می تواند سه اثر زیر را به دست آورد:

• جلوگیری از تشکیل لایه های رابط ضعیف. لایه های رابط ضعیف عمدتا شامل ناخالصی های جذب شده، عوامل آزادسازی؛ لایه های اکسید، لایه های هیدرات تشکیل شده در طول پیری رابط؛و لایه های هوا به دلیل رطوبت ناکافی با ماتریس گیر کرده اند..

• تولید یک مورفولوژی سطح مناسب برای چسبندگی، ایجاد 凸 در سطح مواد تقویت کننده برای بهبود عملکرد اتصال رابط از طریق اثر لنگرگذاری.

• بهبود صمیمیت بین رزین و مواد تقویت کننده با پوشش سطح مواد تقویت کننده با یک عامل پوشش متوسط قطبی،یا با درمان شیمیایی روی سطح برای وارد کردن گروه های کاربردی، در نتیجه بهبود عملکرد اتصال رابط.

در حال حاضر روش های اصلی مورد استفاده برای تغییر سطح فیبر کربن شامل درمان اکسیداسیون، درمان پوشش، درمان پلاسما، درمان رسوب بخار شیمیایی،درمان پیوند سطح، و درمان مایعات فوق بحرانی.

2.1 درمان اکسیداسیون در فاز گازی

درمان اکسیداسیون یک روش مهم برای بهبود و تنظیم ویژگی های سطحی فیبر کربن است.و گروه های کربونیل می توانند بر روی سطح فیبر تولید شوند، اجازه می دهد تا واکنش های شیمیایی بین فیبر و ماتریس رزین برای تشکیل پیوند بین المللی.این روش همچنین می تواند به ساختار فیبر کربن آسیب برساند و بر خواص فیزیکی و شیمیایی آن ها تأثیر بگذارد.، بنابراین زمان اکسیداسیون باید با دقت کنترل شود. درمان اکسیداسیون عمدتاً شامل سه روش است: اکسیداسیون فاز گازی، اکسیداسیون فاز مایع و اکسیداسیون الکتروشیمی.اکسیداسیون فاز گازی از گاز های اکسید کننده برای اکسید کردن سطح فیبر استفاده می کند، وارد کردن گروه های قطبی (مانند -OH، و غیره) و فراهم کردن خشکی مناسب برای بهبود مقاومت برش interlaminar از کامپوزیت ها.دمای اکسیداسیون تاثیر قابل توجهی بر نتیجه درمان دارد.J. Li et al. [2-3] فیبرهای کربن را با استفاده از اکسیداسیون هوا و اکسیداسیون اوزون، به ترتیب، درمان کرده و سپس آنها را برای تولید فیبرهای کربن/پولیترترکتون (PEEK) پلیمر می کنند.نتایج نشان داد که پس از اکسیداسیون اوزون، محتوای COOH در سطح فیبر کربن به طور قابل توجهی افزایش یافت. با یک زمان اکسیداسیون 3 دقیقه،مقاومت برش رابط (IFSS) ترکیب CF / PEEK در مقایسه با غیر درمان شده 60٪ افزایش یافته استدر مقایسه با درمان اکسیداسیون هوا، درمان اکسیداسیون اوزون موثرتر بود.

اکسیداسیون الکتروشیمیکی به طور کلی شامل استفاده از فیبر کربن به عنوان آنود در محلول الکترولیت است.کنترل وضعیت اکسیداسیون سطحی با تغییر پارامترها مانند دمای واکنشمانند سایر روش های اکسیداسیون، اکسیداسیون الکتروشیمیک گروه های عملکردی مختلفی (استر، کاربکسیل، هیدروکسیل، و غیره) را وارد می کند.) روی سطح فیبر، در نتیجه بهبود رطوبت فیبر، ویژگی های چسبندگی و پیوند با ماتریس، به طور قابل توجهی افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن. در حال حاضر،گزارش های زیادی در مورد اکسیداسیون الکتروشیمیایی سطوح فیبر کربن وجود داردمحتوای این مقاله عمدتاً شامل تأثیر شرایط اکسیداسیون، خواص و مورفولوژی سطح فیبر کربن پس از اکسیداسیون و مکانیسم های اکسیداسیون است.[4] فیبر کربن اکسید شده الکتروشیمیک در الکترولیت مخلوط (NH4HCO3) / ((NH4) 2C2O4·H2Oنتایج نشان داد که گروه های عملکردی حاوی اکسیژن و نیتروژن در سطح فیبر کربن به طور قابل توجهی افزایش یافته است.اما مقاومت برش بین لایه (ILSS) از ترکیب فیبر کربن نیز 14 افزایش یافت..5٪، Soo-Jin Park et al. از یک الکترولیت آمینه ترکیبی برای انجام درمان آمینه سطح بر روی الیاف کربن مبتنی بر PAN استفاده کردند، به دست آوردن مقادیر IFSS و ILSS 117 GPa، 87 GPa و 107 GPa، 103 GPa،به ترتیب.

2.2 درمان پلاسما

پلاسما یک حالت کلی ماده است که حاوی تعداد کافی ذرات مثبت و منفی باردار با بار تقریبا برابر است.استفاده از اکسیداسیون پلاسما برای اصلاح سطوح فیبر به طور معمول به عمل فیزیکی و شیمیایی گازهای غیر پلیمر بر روی سطح مواد اشاره داردگازهای غیر پلیمر می توانند گاز های واکنش پذیر یا بی عمل باشند. معمولاً از اکسیژن پلاسمایی استفاده می شود که انرژی بالا و قدرت اکسید کننده قوی دارد. هنگامی که روی سطح فیبر کربن تاثیر می گذارد،می تواند نقص هایی مانند گوشه ها و لبه های کریستال یا ساختارهای پیوند دوگانه را به گروه های فعال حاوی اکسیژن اکسید کندهوانگ یودونگ و همکارانش فیبرهای کربن را با هوا پلاسمایی درمان کردند و سپس فیبرهای کربن / ترکیبات فنولیک تولید کردند.ILSS و نیروی ریز پیوند بین فیبر تک و رزین ماتریس 52 افزایش یافته است.8٪ و 56.5٪ به ترتیب و عملکرد اتصال بین سطح محصول نهایی بیش از 40٪ افزایش یافت.و حداکثر بار شکستگی و شاخص سختی سنگ شکن سیمان CFRP آنها به طور قابل توجهی افزایش یافته است. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] یک روش جدید درمان شامل فلوراسیون متناوب یا مداوم یک طرفه یا دو طرفه فیبرهای کربن با استفاده از پلاسما را اتخاذ کردند.وارد کردن گروه های فلورین به سطح فیبر کربن.

2.3 درمان پوشش

روش پوشش شامل استفاده از یک پلیمر خاص بر روی سطح فیبر برای تغییر ساختار و خواص لایه رابط کامپوزیت است. پوشش سطح دارای کارکردهای زیر است:پوشش می تواند از فیبر ها در برابر آسیب محافظت کند، پیوند فیبر را بهبود می بخشد و به استفاده از قدرت فیبر کمک می کند؛ پوشش می تواند خواص سطحی فیبر را تغییر دهد و توان رطوبت فیبر را با ماتریس رزین بهبود بخشد.گروه های عملکردی واکنش پذیر در پوشش پیوند شیمیایی بین سطح فیبر و ماتریس رزین را تسهیل می کنند• پوشش می تواند از دست دادن فعالیت سطحی پس از درمان سطحی را جلوگیری کند.[6] با پوشش نانویی پلی آمید (PI) با ضخامت تقریبا 100 نانومتر بر روی سطح فیبر کربن T1000هنگامی که بسته فیبر کربن کشیده شد، نانوتکاپ PI به جلوگیری از گسترش نقص های سطحی بر روی فیبر کربن و کاهش غلظت استرس کمک کرد.به طور موثر افزایش مقاومت کشش فیبرهای کربن.

3کاربردهای فیبر کربن

3.1 حوزه هوافضا

کامپوزیت های فیبر کربن دارای یک سری مزایا هستند، از جمله قدرت خاص بالا و ماژول خاص، مقاومت خوب در برابر خستگی و ثبات ابعاد عالی.آنها به عنوان یک ماده اساسی برای توسعه نسل جدید تسلیحات و به طور گسترده ای به عنوان مواد ساختاری برای هواپیما و فضاپیما استفاده می شودنمونه ها شامل مواد ساختاری اولیه برای بال های اصلی هواپیما، بال های دم و بدنه هواپیما؛ مواد ساختاری ثانویه مانند آلرون ها، فرمان ها، آسانسورها، مواد داخلی،مواد کف، پرتو ها و پد های ترمز؛ تیغه های هلیکوپتر؛ مخروط های خروجی موشک، پوشش موتور و غیره؛ اجسام ساختاری ماهواره ای، پانل های خورشیدی و آنتن ها، وسایل حمل و نقل و غلاف های موشک.

3.2 میدان تقویت ساختمان

قدرت خاص کامپوزیت های تقویت شده با فیبر بسیار بالاتر از فولاد است و مدول خاص آنها نیز به طور کلی بالاتر از فولاد است.این عملکرد مکانیکی عالی منجر به استفاده گسترده از آنها به عنوان مواد تقویت و تعمیر برای سازه های مهندسی عمران در ژاپن شده است، ایالات متحده، اروپا و سایر کشورها و مناطق.مواد فیبر کربن دارای یک مدول انعطاف پذیری قابل مقایسه با فولاد هستند در حالی که مقاومت کششی ده برابر بیشتر از فولاد معمولی را نشان می دهندمقاومت در برابر خوردگی و دوام آنها نیز عالی است. بنابراین، هنگامی که از فیبر کربن برای تقویت سازه های بتنی استفاده می شود، برای تثبیت هیچ بولت یا نیت اضافی لازم نیست.مقاومت در برابر خوردگی و دوام فوق العاده است، اختلال در ساختار بتنی اصلی حداقل است و فرآیند ساخت ساده و راحت است.

نتیجه گیری

به طور خلاصه، روش های مختلف درمان سطح برای فیبر کربن هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند.روش های رسوب بخار و پلاسما هنوز در مرحله آزمایشگاهی در داخل و خارج از کشور هستند و هنوز به تولید صنعتی نرسیده اند.· روش های پوشش با عامل اتصال و روش های پوشش پلیمری اثرات ناچیزی را نشان می دهند. در میان روش های اکسیداسیون، اکسیداسیون فاز مایع فقط برای عملیات دسته بندی مناسب است.زمان واکنش اکسیداسیون در فاز گازی بستگی به نوع فیبر کربن و درجه مطلوب اکسیداسیون دارد.اکسیداسیون دوگانه گاز-سیال دشوار است کنترل شود. به طور نسبی، اکسیداسیون الکتروشیمیک بیشترین مزیت را دارد.این نه تنها به طور قابل توجهی رطوبت سطح و واکنش پذیری فیبر کربن را بهبود می بخشد بلکه همچنین شرایط درمان ملایم را دارد که کنترل آن آسان استدرمان سطح فیبر یکنواخت است و روش به راحتی با خطوط تولید فیبر کربن ادغام می شود و چشم انداز گسترده ای برای استفاده در تولید فیبر کربن صنعتی ارائه می دهد.

مرجع:

1. Qian Shuilin. تجزیه و تحلیل کاربرد و تقاضای بازار فیبر کربن [J]. فناوری پتروشیمی و اقتصاد، 2008، 24 ((1): 26-27.

2. لی ل. مطالعات رابط بر روی ترکیب PEEK تقویت شده توسط اوزون و فیبر کربن اصلاح شده با اکسیداسیون هوا [J]. تجزیه و تحلیل سطح و رابط ، 2009 ، 41 ((4): 310-315.

3. Li J، Su Y H. رابط اکسیداسیون درمان شده بر روی خواص اصطلاحات ترکیب PTFE تقویت شده با فیبر کربن در شرایط روان کننده روغن [J]. تجزیه و تحلیل سطح و رابط، 2009، 41 ((5):333-337.

4. لیو ج، تیان ی ل، چن ی ج، لیانگ ج ی خواص رابط و مکانیکی فیبرهای کربن که توسط اکسیداسیون الکتروشیمی در محلول ترکیبات آب (NH4HCO3) / ((NH4) 2C2O4·H2O اصلاح شده اند [J].علوم کاربردی سطح، ۲۰۱۰، ۲۵۶ ((۲۱): ۶۱۹۹۶۲۰۴.

5. کینگزلی KCH، آدام FL، لامورینیر S، بیسمارک A. فلوراسیون پلاسما اتمسفر مداوم فیبر کربن [J].

6. ملانوم T، Naito K، Yang J M، Kyoto J، Sacker D، Kagawa Y. اثر نانوتکاپی پلی آمید سازگار بر خواص کششی یک فیبر کربن مبتنی بر PAN با قدرت بالا [J].مواد ترکیبی علم و فناوری، 2009، 69 (((7-8): ... (حوالۀ نامکمل به عنوان ارائه شده)