Аннотация:

В этой статье рассказывается о структуре и свойствах углеродных волокон, а также общих методах обработки их поверхности.В нем также обобщены области применения углеродных волокон и текущее состояние и тенденции развития углеродного волокна в Китае..

1Введение.

Углеродное волокно - это волокнистый углеродный материал с плотностью меньше, чем у металлического алюминия, но с прочностью, превышающей сталь.Обладающие как присущими "жесткими" свойствами углеродных материалов, так и обрабатываемостью текстильных волокон (быть "гибкими"), представляет собой новое поколение передовых материалов двойного назначения (военного и гражданского назначения), широко используемых в авиации, аэрокосмической промышленности, транспорте, спортивных и досуговых товарах, медицинских изделиях, машинах,текстильные изделияПромышленность углеродного волокна играет важную роль в модернизации основных отраслей промышленности в развитых странах и даже в улучшении общего качества национальной экономики.Он также имеет большое значение для промышленной реструктуризации и модернизации традиционных материалов в Китае [1].

1.1 Структура углеродных волокон

Углеродные волокна имеют основную структуру графита, но не идеальную структуру графитной решетки; скорее, они обладают так называемой турбостратической структурой графита (см. рисунок 1-1).Основными единицами, образующими поликристаллическую структуру, являются шестиугольные решетки слоя атомов углеродаВ планах слоев атомы углерода связаны сильными ковалентными связями длиной связи 0,1421 нм; между планами слоев действуют слабые силы ван дер Ваальса,с межслойным расстоянием от 0 до.3360 нм до 0,3440 нм. Атомы углерода между слоями не имеют регулярных фиксированных положений, что приводит к неравномерным краям слоя.слои атомов углерода в углеродных волокнах подвергаются нерегулярной трансформации и вращению, но шестиугольные ковалентно связанные слои атомов углерода, по существу, выровнены параллельно оси волокна, что дает волокну чрезвычайно высокий модуль тяги.В турбостратической графитовой структуре, слои графита являются наиболее фундаментальными структурными единицами, пересекающимися друг с другом.которые, в свою очередь, образуют фибриллы диаметром около 50 нм и длиной в несколько сотен нанометровНаконец, эти волокна образуют отдельные монофиламенты из углеродного волокна, обычно диаметром 6 ‰ 8 мкм.

1.2 Образование углеродных волокон

Во время образования углеродных волокон на поверхности образуются различные микродефекты. Это связано с тем, что во время карбонизации прекурсорных волокон большое количество элементов и различных газов (таких как CO2,СО, H2O, NH3, H2, N2) образуются и уходят, что приводит к пустотам и дефектам на поверхности и внутренней части волокна.пустоты и дефекты, образованные на поверхности волокна и внутренней части становятся более серьезнымиОсновные дефекты, наблюдаемые в углеродных волокнах, включают пять типов: центральные отверстия, биконические пустоты, включения, иглообразные поры и трещины на поверхности.Микрокристаллические базальные плоскости вокруг поверхностных дефектов соответствуют форме дефекта, и область беспорядочной ориентации вокруг дефекта увеличивается.атомы углерода на краях слоев графита и в дефектных местах на поверхности отличаются от целых базовых атомов углерода внутри слоевБазальные атомы углерода в слоях испытывают симметричные силы, имеют высокую энергию связей и проявляют низкую реактивность;атомы углерода на краях поверхности и поверхностные дефекты испытывают асимметричные силыПоэтому поверхностная активность углеродных волокон связана с количеством атомов углерода на краях и в местах дефекта.

1.3 Свойства углеродных волокон

Углеродные волокна имеют низкую плотность, легкий вес, хорошую электрическую проводимость, не являются магнитными, обладают возможностями защиты от электромагнитных волн и демонстрируют хорошую рентгеновскую проницаемость.В последние годыВ связи с снижением стоимости углеродного волокна и достижениями в области технологии производства композитных материалов, они стали центром исследований электромагнитных защитных композитов.Основной химический состав углеродных волокон включает такие элементы, как C, N, O, H и примеси следовых металлов, при этом химический состав поверхности составляет C, O, H. Кроме того, на поверхности существуют некоторые полярные реактивные группы, такие как кетоновые, карбоксильные и гидроксильные группы,Но их количество очень мало.В результате необработанные углеродные волокна имеют гладкую поверхность, низкую реактивность, небольшую специфическую площадь поверхности (обычно менее 1 м2·g−1), большой угол намокания в воде, гидрофобность,и плохие свойства связывания и дисперсии- используя тот факт, что углеродные волокна могут окисляться окислителями и кислородом в воздухе при высоких температурах,элементы углерода поверхности могут окисляться в кислородсодержащие группы, тем самым улучшая сцепление между поверхностями, влагоспособность и химическую стабильность углеродных волокон.

2Прогресс исследований по обработке поверхности углеродных волокон

Во время приготовления углеродные волокна проходят обработку карбонизацией в высокотемпературной инертной газовой атмосфере.количество активных функциональных групп на поверхности углеродного волокна уменьшаетсяКроме того, для улучшения прочности углеродных волокон, дефекты поверхности должны быть сведены к минимуму.в результате небольшой специфической поверхностиЭта гладкая поверхность приводит к плохому эффекту закрепления с матрицей,уменьшение прочности поверхности композитов из углеродного волокна и ограничение полной реализации высокой производительности углеродных волоконПоэтому, чтобы улучшить сцепление между углеродными волокнами и матричными материалами и в полной мере использовать высокую прочность и высокие модульные характеристики углеродных волокон,для повышения влагостойкости и сцепления с матрицей необходимо изменение поверхности углеродных волокон, тем самым улучшая взаимодействие с поверхностью композита.

Изменение поверхности углеродных волокон может достичь следующих трех эффектов:

• Предотвращение образования слабых слоев интерфейса. Слабые слои интерфейса в основном включают адсорбируемые примеси, агенты высвобождения; слои оксидов, слои гидратов, образованные во время старения интерфейса;и воздушные слои, застрявшие из-за недостаточного увлажнения матрицей.

• Создать морфологию поверхности, подходящую для адгезии, создавая ′′凸" на поверхности материала арматуры для улучшения эффективности связывания интерфейсов посредством эффекта крепления.

• Улучшить сближение между смолой и арматурным материалом путем покрытия поверхности арматурного материала умеренно полярным покрывателем.или химической обработкой поверхности для введения функциональных групп, тем самым улучшая эффективность связывания между поверхностями.

В настоящее время основные методы, используемые для изменения поверхности углеродных волокон, включают окислительную обработку, обработку покрытия, плазменную обработку, химическую обработку отложения паров,обработка поверхностным присаждением, и сверхкритической обработки жидкости.

2.1 Обработка окислением в газовой фазе

Окислительная обработка является важным подходом к улучшению и регулированию поверхностных характеристик углеродных волокон.и карбонильные группы могут быть получены на поверхности волокна, что позволяет химическим реакциям между волокном и смолой матрицей формировать межповерхностные связки.Этот метод также может повредить структуру углеродных волокон и повлиять на их физические и химические свойства.Окислительная обработка включает в себя в основном три метода: газофазную окисление, жидкофазную окисление и электрохимическую окисление.Окисление газовой фазы использует окислительные газы для окисления поверхности волокна, внедряя полярные группы (такие как -OH и т. д.) и обеспечивая соответствующую шероховатость для улучшения прочности срезания композитов между ламинами.температура окисления оказывает значительное влияние на результат обработкиJ. Li et al. [2-3] обрабатывали углеродные волокна с использованием окисления воздуха и окисления озона соответственно, а затем полимеризировали их для получения композитов из углеродного волокна/полиэфирэтеркетона (PEEK).Результаты показали, что после окисления озона, содержание -COOH на поверхности углеродного волокна значительно увеличилось.прочность срезания поверхности (IFSS) композита CF/PEEK увеличилась на 60% по сравнению с необработаннымПо сравнению с окислительной обработкой воздуха, окислительная обработка озоном была более эффективной.

Электрохимическое окисление обычно включает использование углеродных волокон в качестве анода в растворе электролита,контролирование состояния окисления поверхности путем изменения параметров, таких как температура реакцииКак и в других процессах окисления, электрохимическая окисление вводит различные функциональные группы (эстер, карбоксил, гидроксил и т.д.).) на поверхность волокна, тем самым улучшая влажность волокон, характеристики адгезии и связывание с матрицей, значительно повышая механические свойства композитов, усиленных углеродным волокном.Есть много сообщений об электрохимической окислении поверхностей углеродного волокнаСодержание в основном включает в себя влияние условий окисления, свойства и морфологию поверхности углеродного волокна после окисления и механизмы окисления.[4] электрохимически окисленные углеродные волокна в смешанном (NH4HCO3)/(NH4)2C2O4·H2O электролитеРезультаты показали, что содержащие кислород и азот функциональные группы на поверхности углеродного волокна значительно увеличились.но прочность срезания между ламинарами (ILSS) композита из углеродного волокна также увеличилась на 140,5%. Су-Джин Парк и др. использовали композитный аминовый электролит для обработки поверхности аминообразованием на углеродных волокнах на основе PAN, достигнув IFSS и ILSS значений 117 GPa, 87 GPa и 107 GPa, 103 GPa,соответственно.

2.2 Обработка плазмой

Плазма - это совокупное состояние материи, содержащее достаточное количество положительно и отрицательно заряженных частиц с примерно равными зарядами.Использование окисления плазмы для модификации поверхности волокна обычно относится к физическому и химическому действию неполимеризирующих газов на поверхности материалаНеполимеризирующие газы могут быть реактивными или инертными газами. Обычно используется плазменный кислород, который имеет высокую энергию и сильную окислительную способность.может окислять дефекты, такие как кристаллические углы и края или структуры двойных связей, в кислородсодержащие активные группы. Хуан Юдун и др. обрабатывали углеродные волокна плазменным воздухом, а затем получали углеродные волокна/фенольные композиты.ILSS и интерфейсная сила микроразвязки между одноволоконным волокном и матричной смолой увеличилась на 520,8% и 56,5% соответственно, и эффективность сцепления между поверхностями конечного продукта увеличилась более чем на 40%.и максимальная нагрузка на перелом и показатель прочности их КФРП-цементного раствора значительно увеличились. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] приняли новый метод обработки, включающий периодическое или непрерывное одностороннее или двустороннее фторирование углеродных волокон с использованием плазмы,введение фторавых групп на поверхность углеродного волокна.

2.3 Обработка покрытия

Обработка покрытия включает в себя нанесение определенного полимера на поверхность волокна для изменения структуры и свойств композитного интерфейсного слоя.покрытие может защитить волокна от повреждения, улучшить связывание волокон и помочь использовать прочность волокон; покрытие может изменить поверхностные свойства волокна и улучшить влагоспособность волокна с смолой матрицы;Реактивные функциональные группы в покрытии облегчают химическую связь между поверхностью волокна и смолой матрицы; покрытие может предотвратить потерю поверхностной активности после обработки поверхности.[6] покрытый нанопокрытием полимида (PI) толщиной примерно 100 нм на поверхности углеродных волокон T1000При растяжении узла из углеродного волокна нанопокрытие ПИ помогало предотвратить распространение поверхностных дефектов на углеродных волокнах и снизить концентрацию напряжения.эффективно повышает прочность углеродных волокон на растяжение.

3Применение углеродных волокон

3.1 Аэрокосмическая область

Композиты из углеродного волокна имеют ряд преимуществ, включая высокую удельную прочность и удельный модуль, хорошую устойчивость к усталости и отличную размерную стабильность.Они служат основным материалом для разработки оружия нового поколения и широко используются в качестве конструкционных материалов для самолетов и космических аппаратов.Примеры включают первичные конструктивные материалы для главных крыльев, хвостовых крыльев и фюзеляжа самолёта; вторичные конструктивные материалы, такие как лебедки, руль, лифты, внутренние материалы,материалы для полов, лучи и тормозные колодки; лопасти вертолетов; конусы выхлопных ракет, крышки двигателей и т. д.; спутниковые конструкции, солнечные панели и антенны, пусковые установки и корпуса ракет.

3.2 Укрепление здания

Специфическая прочность волоконно-укрепленных композитов намного выше, чем у стали, а их специфический модуль также, как правило, выше, чем у стали.Эти превосходные механические характеристики привели к их широкому применению в качестве арматурных и ремонтных материалов для строительных сооружений в Японии, США, Европы и других стран и регионов.Материалы из углеродных волокон имеют модуль эластичности, сопоставимый с сталью, при этом прочность на растяжение в десять раз выше, чем у обычной сталиИх коррозионная стойкость и долговечность также превосходны.Поэтому при использовании углеродных волокон для усиления бетонных конструкций для крепления не требуются дополнительные болты или ниты.Устойчивость к коррозии и долговечность превосходны, нарушение первоначальной бетонной конструкции минимально, а процесс строительства прост и удобен.

Заключение

В целом, различные методы обработки поверхности углеродных волокон имеют свои особенности.Методы отложения паров и плазмы все еще находятся на лабораторном этапе как на внутреннем, так и на международном уровне и еще не достигли промышленного производства.Среди методов окисления окисление жидкой фазы подходит только для работы в серии;время реакции для окисления в газовой фазе зависит от типа углеродного волокна и желаемой степени окисления; двойная окисление газа и жидкости трудно контролировать.Он не только значительно улучшает поверхностную влагоспособность и реактивность углеродных волокон, но также имеет мягкие условия обработки, которые легко контролироватьОбработка поверхности волокна однородна, и метод легко интегрируется с производственными линиями углеродного волокна, предлагая широкие перспективы применения в промышленном производстве углеродного волокна.

Ссылки:

1. Qian Shuilin. Анализ применения и спроса на рынке углеродных волокон [J].

2. Ли Л. Интерфейсные исследования композитов PEEK, усиленных озоном и углеродными волокнами, модифицированными окислением воздуха [J].

3. Li J, Su Y H. Оксидационно-обработанный интерфейс терминологических свойств углеволоконно-укрепленного композита из ПТФЭ в условиях смазки маслом [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Интерфейсные и механические свойства углеродных волокон, модифицированных путем электрохимической окисления в растворе водных соединений (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Прикладная наука о поверхности, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Непрерывное фторирование плазмы углеродных волокон в атмосфере [J]. Композиты Часть А: Прикладная наука и производство, 2008, 39(2): 364 ¢ 373.

6. Меланома T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Влияние нанопокрытия полимида на прочность углеродного волокна на основе PAN [J].Композиты Наука и технологии, 2009 г., 69 (((7-8)): ... (неполная ссылка, как указано)