Resumo:

Este artigo apresenta a estrutura e as propriedades das fibras de carbono, bem como métodos comuns para o tratamento de sua superfície.O relatório também resume os campos de aplicação das fibras de carbono e o estado e as tendências atuais do desenvolvimento da fibra de carbono na China..

1Introdução

A fibra de carbono é um material fibroso de carbono com uma densidade menor que a do alumínio metálico, mas com uma resistência superior à do aço.Possui tanto as características "duras" inerentes aos materiais de carbono como a capacidade de processamento das fibras têxteis (sendo "flexível"), representa uma nova geração de materiais avançados de dupla utilização (militares e civis), amplamente utilizados na aviação, aeroespacial, transportes, artigos desportivos e de lazer, dispositivos médicos, máquinas,Produtos têxteisA indústria da fibra de carbono desempenha um papel importante na modernização das indústrias pilares nos países desenvolvidos e até mesmo na melhoria da qualidade global das economias nacionais.É também de grande importância para a reestruturação industrial e a melhoria dos materiais tradicionais na China [1].

1.1 Estrutura das fibras de carbono

As fibras de carbono têm a estrutura básica do grafite, mas não uma estrutura de rede de grafite ideal; em vez disso, possuem o que é conhecido como uma estrutura de grafite turbostrática (ver Figura 1-1).As unidades básicas que formam a estrutura policristalina são grades de camada hexagonal de átomos de carbono, que formam planos de camada. Dentro dos planos de camada, os átomos de carbono são ligados por fortes ligações covalentes com um comprimento de ligação de 0,1421 nm; entre os planos de camada, forças de van der Waals fracas atuam,com um espaço entre as camadas variando de 0.3360 nm a 0,3440 nm. Os átomos de carbono entre as camadas não têm posições fixas regulares, resultando em bordas de camadas desiguais.As camadas de átomos de carbono em fibras de carbono sofrem uma translação e rotação irregulares, mas as camadas hexagonais de átomos de carbono ligados covalentemente estão essencialmente alinhadas paralelamente ao eixo da fibra, dando à fibra um módulo de tração axial extremamente alto.Na estrutura de grafite turbostrática, as camadas de grafite são as unidades estruturais mais fundamentais, que se cruzam umas com as outras.que, por sua vez, formam fibrilhas de aproximadamente 50 nm de diâmetro e várias centenas de nanómetros de comprimentoFinalmente, estas fibrilhas formam monofilamentos individuais de fibra de carbono, tipicamente de 6 a 8 μm de diâmetro.

1.2 Formação de fibras de carbono

Durante a formação de fibras de carbono, várias micro-defeitos se formam na superfície.CO, H2O, NH3, H2, N2) são gerados e escapam, levando a vazios e defeitos na superfície e no interior da fibra.os vazios e defeitos formados na superfície e interior da fibra tornam-se mais gravesOs principais defeitos observados nas fibras de carbono incluem cinco tipos: furos centrais, vazios bicónicos, inclusões, poros em forma de agulha e fissuras na superfície.Os planos basais microcristalinos em torno de defeitos de superfície estão em conformidade com a forma do defeito, e a região de orientação desordenada em torno do defeito aumenta.Os átomos de carbono nas bordas das camadas de grafite e aqueles em locais defeituosos na superfície diferem dos átomos de carbono basais intactos dentro das camadasOs átomos de carbono basais dentro das camadas experimentam forças simétricas, têm alta energia de ligação e apresentam baixa reatividade;Os átomos de carbono nas bordas da superfície e defeitos de superfície experimentam forças assimétricasPortanto, a atividade superficial das fibras de carbono está relacionada ao número de átomos de carbono nas bordas e locais de defeito.

1.3 Propriedades das fibras de carbono

As fibras de carbono têm baixa densidade, peso leve, boa condutividade elétrica, não são magnéticas, possuem capacidades de blindagem de ondas eletromagnéticas e apresentam boa transmissão de raios-X.Nos últimos anos, devido à diminuição dos custos da fibra de carbono e aos avanços na tecnologia de fabrico de materiais compósitos, tornaram-se um ponto de investigação para os compósitos de blindagem eletromagnética.A composição química das fibras de carbono inclui elementos como C, N, O, H, e impurezas metálicas em traços, enquanto a composição química da superfície é C, O, H. Além disso, existem na superfície alguns grupos reativos polares, como grupos cetónicos, carboxílicos e hidroxílicos,Mas a sua quantidade é muito pequena.As fibras de carbono não tratadas têm uma superfície lisa, baixa reatividade, pequena superfície específica (geralmente inferior a 1 m2·g−1), grande ângulo de umidade na água, hidrofobidade,e propriedades de ligação e dispersão pobres- Aproveitando o facto de as fibras de carbono poderem ser oxidadas por agentes oxidantes e por oxigénio no ar a altas temperaturas,Os elementos de carbono da superfície podem ser oxidados em grupos que contenham oxigénio, melhorando assim a adesão interfacial, a umedecibilidade e a estabilidade química das fibras de carbono.

2Progresso da investigação no tratamento de superfície das fibras de carbono

Durante a preparação, as fibras de carbono são submetidas a tratamento de carbonização em uma atmosfera de gás inerte de alta temperatura.O número de grupos funcionais ativos na superfície da fibra de carbono diminuiAlém disso, para melhorar a resistência à tração das fibras de carbono, os defeitos de superfície devem ser minimizados na medida do possível.resultando numa pequena superfície específicaEsta superfície lisa conduz a um efeito de fixação fraco com a matriz,Redução da resistência à interfaça dos compósitos de fibras de carbono e limitação do desempenho das fibras de carbonoPor conseguinte, para melhorar a adesão interfacial entre as fibras de carbono e os materiais de matriz e utilizar plenamente as características de alta resistência e elevado módulo das fibras de carbono,É necessária uma modificação da superfície das fibras de carbono para melhorar a sua hidratabilidade e aderência à matriz., melhorando assim o desempenho de ligação interfacial do composto.

A modificação da superfície das fibras de carbono pode obter os seguintes três efeitos:

• Evitar a formação de camadas de interface fracas. As camadas de interface fracas incluem principalmente impurezas adsorvidas, agentes de liberação; camadas de óxido, camadas de hidrato formadas durante o envelhecimento da interface;e camadas de ar presas devido à umidade insuficiente com a matriz.

• Gerar uma morfologia de superfície adequada para a adesão, criando um ângulo na superfície do material de reforço para melhorar o desempenho de ligação da interface através do efeito de ancoragem.

• Melhorar a afinidade entre a resina e o material de reforço revestindo a superfície do material de reforço com um agente de revestimento moderadamente polar,ou por tratamento químico na superfície para introduzir grupos funcionais, melhorando assim o desempenho da ligação interfacial.

Atualmente, os principais métodos utilizados para a modificação da superfície de fibras de carbono incluem tratamento por oxidação, tratamento de revestimento, tratamento por plasma, tratamento por deposição química de vapor,Tratamento de enxerto de superfície, e tratamento com fluidos supercríticos.

2.1 Tratamento por oxidação na fase gasosa

O tratamento por oxidação é uma abordagem importante para melhorar e regular as características superficiais das fibras de carbono.e grupos carbonílicos podem ser gerados na superfície da fibra, permitindo que as reações químicas entre a fibra e a matriz de resina formem ligações interfaciais.Este método pode também danificar a estrutura das fibras de carbono e afectar as suas propriedades físicas e químicas.O tratamento de oxidação inclui principalmente três métodos: oxidação em fase gasosa, oxidação em fase líquida e oxidação eletroquímica.A oxidação em fase gasosa usa gases oxidantes para oxidar a superfície da fibra, introduzindo grupos polares (tais como -OH, etc.) e proporcionando a rugosidade adequada para melhorar a resistência de cisalhamento interlaminar dos compósitos.A temperatura de oxidação tem um efeito significativo no resultado do tratamento. J. Li et al. [2-3] trataram as fibras de carbono utilizando oxidação do ar e oxidação do ozono, respectivamente, e depois polimerizaram-nas para produzir compostos de fibra de carbono/poliéteretercetona (PEEK).Os resultados mostraram que após a oxidação do ozono, o teor de -COOH na superfície da fibra de carbono aumentou significativamente.a resistência à cisalhamento da interfaça (IFSS) do composto CF/PEEK aumentou 60% em comparação com o composto não tratadoEm comparação com o tratamento de oxidação do ar, o tratamento de oxidação do ozono foi mais eficaz.

A oxidação eletroquímica envolve geralmente a utilização de fibras de carbono como ânodo numa solução eletrolítica,controlo da condição de oxidação da superfície através da alteração de parâmetros como a temperatura de reaçãoComo outros tratamentos de oxidação, a oxidação eletroquímica introduz vários grupos funcionais (éster, carboxila, hidroxila, etc.).) na superfície da fibra, melhorando assim a umedecimento da fibra, as características de adesão e a ligação com a matriz, aumentando significativamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibra de carbono.Há muitos relatórios sobre a oxidação eletroquímica das superfícies de fibra de carbonoO conteúdo inclui principalmente a influência das condições de oxidação, as propriedades e a morfologia da superfície da fibra de carbono após a oxidação e os mecanismos de oxidação.[4] Fibras de carbono eletroquímicamente oxidadas num eletrólito misto (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2OOs resultados mostraram que os grupos funcionais que contêm oxigénio e nitrogénio na superfície da fibra de carbono aumentaram significativamente; não só a resistência à tração das fibras de carbono aumentou 17,1%,Mas a resistência de cisalhamento interlaminar (ILSS) do composto de fibra de carbono também aumentou 140,5%. Soo-Jin Park et al. utilizaram um eletrólito composto de aminas para realizar um tratamento de aminasão superficial em fibras de carbono à base de PAN, atingindo valores IFSS e ILSS de 117 GPa, 87 GPa e 107 GPa, 103 GPa,respectivamente.

2.2 Tratamento com plasma

O plasma é um estado agregado de matéria contendo um número suficiente de partículas carregadas positivamente e negativamente com cargas aproximadamente iguais.Usando a oxidação de plasma para modificar as superfícies de fibras normalmente se refere à ação física e química de gases não polimerizantes na superfície do materialOs gases não polimerizantes podem ser gases reativos ou inertes. O oxigênio plasmático é comumente usado, que tem alta energia e forte poder oxidante.Pode oxidar defeitos como cantos e bordas de cristal ou estruturas de ligação dupla em grupos ativos contendo oxigénio. Huang Yudong et al. trataram as fibras de carbono com ar plasmático e depois produziram fibras de carbono/compositos fenólicos.a ILSS e a força de micro-desligação interfacial entre a fibra única e a resina matriz aumentaram 52A produção de fibras de carbono foi efectuada com uma percentagem de 0,8% e de 56,5%, respectivamente, e o desempenho de ligação interfacial do produto final aumentou em mais de 40%.e a carga máxima de fratura e o índice de resistência de seu argamassa de cimento de CFRP aumentaram significativamente. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] adotaram um novo método de tratamento que envolve a fluoretação intermitente ou contínua, unilateral ou bilateral, de fibras de carbono utilizando plasma,Introdução de grupos de flúor na superfície da fibra de carbono.

2.3 Tratamento de revestimento

O tratamento de revestimento envolve a aplicação de um certo polímero na superfície da fibra para alterar a estrutura e as propriedades da camada de interface composta.O revestimento pode proteger as fibras de danos, melhorar o agrupamento de fibras e ajudar a utilizar a resistência da fibra; o revestimento pode alterar as propriedades da superfície da fibra e melhorar a umedecibilidade da fibra com a matriz de resina;grupos funcionais reativos na camada facilitam a ligação química entre a superfície da fibra e a matriz de resinaO revestimento pode impedir a perda de actividade da superfície após tratamento de superfície.[6] revestido com um nano-revestimento de poliimida (PI) de espessura aproximada de 100 nm na superfície das fibras de carbono T1000Quando o feixe de fibra de carbono foi esticado, o nanocoating PI ajudou a prevenir a propagação de defeitos de superfície nas fibras de carbono e reduzir a concentração de tensão.Aumentar eficazmente a resistência à tração das fibras de carbono.

3Aplicações das fibras de carbono

3.1 Campo aeroespacial

Os compósitos de fibra de carbono têm uma série de vantagens, incluindo alta resistência específica e módulo específico, boa resistência à fadiga e excelente estabilidade dimensional.Eles servem como um material fundamental para o desenvolvimento de armas de nova geração e são amplamente utilizados como materiais estruturais para aeronaves e naves espaciaisExemplos incluem materiais estruturais primários para as asas principais, as asas traseiras e a fuselagem das aeronaves; materiais estruturais secundários, tais como ailerões, lemes, elevadores, materiais interiores,Materiais para pisos, vigas e pastilhas de freio; pás de helicóptero; cones de escape de foguetes, capas de motores, etc.; corpos estruturais de satélites, painéis solares e antenas, veículos de lançamento e cartuchos de mísseis.

3.2 Campo de reforço de edifícios

A resistência específica dos compósitos reforçados com fibras é muito superior à do aço e o seu módulo específico é geralmente superior ao do aço.Este excelente desempenho mecânico levou à sua ampla aplicação como materiais de reforço e reparação para estruturas de engenharia civil no Japão, Estados Unidos, Europa e outros países e regiões.Os materiais de fibra de carbono possuem um módulo elástico comparável ao do aço e apresentam uma resistência à tração dez vezes superior ao aço comumA sua resistência à corrosão e durabilidade também são excelentes. Portanto, quando se utilizam fibras de carbono para reforçar estruturas de concreto, não são necessários para fixação para isso parafusos ou rebites adicionais.A resistência à corrosão e a durabilidade são excepcionais, a perturbação da estrutura de concreto original é mínima, e o processo de construção é simples e conveniente.

Conclusão

Em resumo, os diferentes métodos de tratamento de superfície das fibras de carbono têm cada um as suas próprias características.Os métodos de deposição por vapor e plasma ainda estão em fase de laboratório, tanto no mercado interno como internacionalmente, e ainda não alcançaram a produção industrial.Os métodos de revestimento por agentes de acoplamento e de revestimento por polímeros apresentam efeitos insignificantes.O tempo de reação para a oxidação na fase gasosa depende do tipo de fibra de carbono e do grau de oxidação desejadoA dupla oxidação gás-líquido é difícil de controlar. Relativamente falando, a oxidação eletroquímica tem as maiores vantagens.Ele não só melhora muito a humidade da superfície e a reatividade das fibras de carbono, mas também apresenta condições de tratamento leves que são fáceis de controlarO tratamento da superfície da fibra é uniforme e o método é facilmente integrado com as linhas de produção de fibra de carbono, oferecendo amplas perspectivas de aplicação na produção industrial de fibra de carbono.

Referências:

1. Qian Shuilin. Análise de aplicação e demanda de mercado de fibras de carbono [J]. Tecnologia petroquímica e economia, 2008, 24 ((1): 26-27.

2. Li L. Estudos de interfaces sobre compósitos PEEK reforçados com ozônio e fibra de carbono modificada por oxidação do ar [J].

3. Li J, Su Y H. A interface tratada por oxidação sobre as propriedades terminológicas do composto PTFE reforçado com fibras de carbono sob condição lubrificada com óleo [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Propriedades interfaciais e mecânicas das fibras de carbono modificadas por oxidação eletroquímica em solução aquosa de compostos (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Ciência aplicada da superfície, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Fluorização contínua de plasma atmosférico de fibras de carbono [J].

6. Melanoma T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Efeito do nanocoating de poliimida compatível nas propriedades de tração de uma fibra de carbono de alta resistência à base de PAN [J].Ciência e Tecnologia, 2009, n.os 69 e 7): ... (referência incompleta conforme fornecida)