Tóm lại:

Bài này giới thiệu cấu trúc và tính chất của sợi cacbon, cũng như các phương pháp phổ biến để xử lý bề mặt của chúng.Nó cũng tóm tắt các lĩnh vực ứng dụng của sợi cacbon và tình trạng hiện tại và xu hướng phát triển sợi cacbon ở Trung Quốc.

1. giới thiệu

Sợi cacbon là một vật liệu cacbon có sợi với mật độ thấp hơn của nhôm kim loại nhưng có độ bền vượt quá thép. Nó cũng có khả năng chống ăn mòn và mô-đun cao.Có cả các đặc điểm "khó" vốn có của các vật liệu carbon và khả năng chế biến của sợi dệt (là "chuyển động"), nó đại diện cho một thế hệ mới của vật liệu tiên tiến hai sử dụng (quân sự và dân sự), được sử dụng rộng rãi trong hàng không, hàng không vũ trụ, giao thông vận tải, hàng thể thao và giải trí, thiết bị y tế, máy móc,vảiNgành công nghiệp sợi cacbon đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cấp các ngành công nghiệp trụ cột ở các nước phát triển và thậm chí trong việc cải thiện chất lượng tổng thể của nền kinh tế quốc gia.Nó cũng có ý nghĩa rất lớn đối với việc tái cấu trúc và nâng cấp công nghiệp của các vật liệu truyền thống ở Trung Quốc [1].

1.1 Cấu trúc của sợi carbon

Sợi cacbon có cấu trúc cơ bản của graphite, nhưng không phải là cấu trúc lưới graphite lý tưởng; thay vào đó, chúng sở hữu cấu trúc graphite turbostratic (xem Hình 1-1).Các đơn vị cơ bản tạo thành cấu trúc polycrystalline là lưới lớp nguyên tử cacbon sáu góc, tạo thành các mặt phẳng lớp. Trong các mặt phẳng lớp, các nguyên tử carbon được liên kết bởi các liên kết covalent mạnh với chiều dài liên kết 0,1421 nm; giữa các mặt phẳng lớp, các lực van der Waals yếu hoạt động,với khoảng cách giữa các lớp từ 0.3360 nm đến 0.3440 nm. Các nguyên tử cacbon giữa các lớp không có vị trí cố định thường xuyên, dẫn đến các cạnh lớp không bằng nhau.các lớp nguyên tử cacbon trong sợi cacbon trải qua chuyển dịch và xoay không đều, nhưng các lớp nguyên tử cacbon liên kết hợp hợp sáu góc về cơ bản được sắp xếp song song với trục sợi, tạo cho sợi một mô-đun kéo trục cực cao.Trong cấu trúc graphite turbostratic, các lớp graphite là các đơn vị cấu trúc cơ bản nhất, giao nhau. Một vài đến hàng chục lớp tạo thành tinh thể graphite,mà lần lượt tạo thành các sợi xơ có đường kính khoảng 50 nm và chiều dài vài trăm nanometCuối cùng, các sợi này tạo thành các sợi carbon đơn lẻ, thường có đường kính 6 ¢ 8 μm.

1.2 Sự hình thành của sợi carbon

Trong quá trình hình thành sợi cacbon, các khiếm khuyết nhỏ khác nhau hình thành trên bề mặt.CO, H2O, NH3, H2, N2) được tạo ra và thoát ra, dẫn đến lỗ hổng và khiếm khuyết trên bề mặt và bên trong sợi.các lỗ hổng và khiếm khuyết hình thành trên bề mặt sợi và bên trong trở nên nghiêm trọng hơnCác khiếm khuyết chính được quan sát thấy trong sợi cacbon bao gồm năm loại: lỗ trung tâm, lỗ biconical, khớp, lỗ chân lông giống như kim và vết nứt bề mặt.Các mặt phẳng cơ bản tinh thể nhỏ xung quanh các khiếm khuyết bề mặt phù hợp với hình dạng của khiếm khuyết, và khu vực định hướng vô trật tự xung quanh khiếm khuyết tăng lên.các nguyên tử cacbon ở các cạnh của các lớp graphite và những vị trí bị lỗi trên bề mặt khác với các nguyên tử cacbon cơ bản nguyên vẹn trong các lớpCác nguyên tử carbon cơ bản trong các lớp trải qua các lực đối xứng, có năng lượng liên kết cao và biểu hiện phản ứng thấp;các nguyên tử carbon ở các cạnh bề mặt và các khiếm khuyết bề mặt trải qua các lực bất đối xứngDo đó, hoạt động bề mặt của sợi cacbon có liên quan đến số lượng nguyên tử cacbon ở các cạnh và các vị trí khiếm khuyết.

1.3 Tính chất của sợi carbon

Sợi cacbon có mật độ thấp, trọng lượng nhẹ, độ dẫn điện tốt, không từ tính, có khả năng bảo vệ sóng điện từ và thể hiện khả năng truyền tia X tốt.Trong những năm gần đây, do giảm chi phí sợi cacbon và tiến bộ trong công nghệ sản xuất vật liệu tổng hợp, chúng đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu cho vật liệu tổng hợp chắn điện từ.Thành phần hóa học tổng thể của sợi carbon bao gồm các yếu tố như C, N, O, H, và các tạp chất kim loại, trong khi thành phần hóa học bề mặt là C, O, H. Ngoài ra, một số nhóm phản ứng cực như ketone, carboxyl và hydroxyl nhóm tồn tại trên bề mặt,nhưng số lượng của họ là rất nhỏKết quả là các sợi carbon chưa được xử lý có bề mặt mịn, phản ứng thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (thường dưới 1 m2 · g−1), góc ướt lớn trong nước, độ sợ nước,và đặc tính liên kết và phân tán kém- Tận dụng thực tế là sợi carbon có thể bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa và oxy trong không khí ở nhiệt độ cao,các nguyên tố carbon bề mặt có thể bị oxy hóa thành các nhóm chứa oxy, do đó cải thiện độ bám sát giao diện, khả năng ướt và sự ổn định hóa học của sợi cacbon.

2. Tiến bộ nghiên cứu về xử lý bề mặt sợi carbon

Trong quá trình chuẩn bị, sợi cacbon trải qua điều trị carbon hóa trong khí quyển khí trơ nhiệt độ cao. Khi các yếu tố phi cacbon thoát ra và cacbon được làm giàu,số lượng các nhóm chức năng hoạt động trên bề mặt sợi carbon giảmNgoài ra, để cải thiện độ bền kéo của sợi cacbon, các khiếm khuyết bề mặt phải được giảm thiểu càng nhiều càng tốt.dẫn đến một diện tích bề mặt cụ thể nhỏ. bề mặt mịn này dẫn đến một hiệu ứng neo kém với ma trận,Giảm độ bền giao diện của các vật liệu tổng hợp sợi cacbon và hạn chế toàn bộ hiệu suất cao của sợi cacbonDo đó, để cải thiện độ bám sát giao diện giữa sợi cacbon và vật liệu ma trận và tận dụng đầy đủ đặc điểm sức mạnh cao và mô-đun cao của sợi cacbon,sửa đổi bề mặt của sợi cacbon là cần thiết để tăng khả năng ướt và dính vào ma trận, do đó cải thiện hiệu suất gắn kết giao diện của composite.

Thay đổi bề mặt của sợi cacbon có thể đạt được ba hiệu ứng sau:

• Ngăn ngừa sự hình thành các lớp giao diện yếu. Các lớp giao diện yếu chủ yếu bao gồm các tạp chất hấp thụ, chất giải phóng; các lớp oxit, lớp hydrat hình thành trong quá trình lão hóa giao diện;và các lớp không khí bị mắc kẹt do không đủ ướt với ma trận.

• Tạo một hình thái bề mặt phù hợp cho dính, tạo ra 凸 trên bề mặt vật liệu gia cố để cải thiện hiệu suất liên kết giao diện thông qua hiệu ứng neo.

• Cải thiện độ tương quan giữa nhựa và vật liệu gia cố bằng cách phủ bề mặt vật liệu gia cố bằng chất phủ cực vừa phải,hoặc bằng cách xử lý hóa học trên bề mặt để đưa các nhóm chức năng, do đó cải thiện hiệu suất gắn kết giao diện.

Hiện nay, các phương pháp chính được sử dụng để sửa đổi bề mặt của sợi cacbon bao gồm xử lý oxy hóa, xử lý lớp phủ, xử lý huyết tương, xử lý lắng đọng hơi hóa học,xử lý ghép bề mặt, và xử lý chất lỏng siêu quan trọng.

2.1 Điều trị oxy hóa pha khí

Điều trị oxy hóa là một cách tiếp cận quan trọng để cải thiện và điều chỉnh các đặc điểm bề mặt của sợi cacbon.và các nhóm carbonyl có thể được tạo ra trên bề mặt sợi, cho phép các phản ứng hóa học giữa các sợi và ma trận nhựa để hình thành liên kết giao diện.phương pháp này cũng có thể làm hỏng cấu trúc của sợi carbon và ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của chúng, vì vậy thời gian oxy hóa phải được kiểm soát cẩn thận. Điều trị oxy hóa chủ yếu bao gồm ba phương pháp: oxy hóa pha khí, oxy hóa pha lỏng và oxy hóa điện hóa.Ôxy hóa pha khí sử dụng khí oxy hóa để oxy hóa bề mặt sợi, giới thiệu các nhóm cực (chẳng hạn như -OH, vv) và cung cấp độ thô phù hợp để cải thiện độ bền cắt interlaminar của composites.nhiệt độ oxy hóa có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả điều trị. J. Li et al. [2-3] xử lý sợi cacbon bằng cách oxy hóa không khí và oxy hóa ozone, tương ứng, và sau đó polymerize chúng để sản xuất sợi cacbon / polyetheretherketone (PEEK) hợp chất.Kết quả cho thấy sau khi oxy hóa ozone, hàm lượng -COOH trên bề mặt sợi cacbon tăng đáng kể.Độ bền cắt giao diện (IFSS) của composite CF / PEEK tăng 60% so với không được xử lýSo với điều trị oxy hóa không khí, điều trị oxy hóa ozone hiệu quả hơn.

Chất oxy hóa điện hóa thường liên quan đến việc sử dụng sợi cacbon làm anode trong dung dịch điện giải,kiểm soát điều kiện oxy hóa bề mặt bằng cách thay đổi các thông số như nhiệt độ phản ứngGiống như các phương pháp xử lý oxy hóa khác, oxy hóa điện hóa giới thiệu các nhóm chức năng khác nhau (ester, carboxyl, hydroxyl, v.v.).) trên bề mặt sợi, do đó cải thiện độ ướt của sợi, đặc tính dính và gắn kết với ma trận, làm tăng đáng kể tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp tăng cường bằng sợi carbon.có nhiều báo cáo về oxy hóa điện hóa của bề mặt sợi cacbonNội dung chủ yếu liên quan đến ảnh hưởng của điều kiện oxy hóa, tính chất và hình thái của bề mặt sợi cacbon sau khi oxy hóa, và cơ chế oxy hóa.[4] sợi cacbon oxy hóa điện hóa trong một chất điện phân hỗn hợp (NH4HCO3) / ((NH4) 2C2O4·H2OKết quả cho thấy các nhóm chức năng chứa oxy và nitơ trên bề mặt sợi cacbon tăng đáng kể; không chỉ độ bền kéo của sợi cacbon tăng 17,1%,nhưng độ bền cắt giữa các lớp (ILSS) của các hợp chất sợi cacbon cũng tăng 14.5%. Soo-Jin Park et al. đã sử dụng một chất điện phân amine tổng hợp để thực hiện xử lý amination bề mặt trên sợi carbon dựa trên PAN, đạt được các giá trị IFSS và ILSS là 117 GPa, 87 GPa và 107 GPa, 103 GPa,tương ứng.

2.2 Điều trị bằng huyết tương

Plasma là một trạng thái tổng hợp của vật chất có chứa một số lượng đủ các hạt tích cực và tích cực với điện tích gần như bằng nhau.Sử dụng oxy hóa huyết tương để sửa đổi bề mặt sợi thường đề cập đến hành động vật lý và hóa học của các khí không polymerizing trên bề mặt vật liệu. Các khí không polymerizing có thể là khí phản ứng hoặc khí trơ. Ôxy plasma thường được sử dụng, có năng lượng cao và sức mạnh oxy hóa mạnh. Khi nó tác động đến bề mặt sợi cacbon, nó có thể làm giảm lượng khí thải.Nó có thể oxy hóa các khiếm khuyết như góc và cạnh tinh thể hoặc cấu trúc liên kết kép thành các nhóm hoạt tính có chứa oxy. Huang Yudong et al. xử lý sợi cacbon với không khí plasma và sau đó sản xuất sợi cacbon / hợp chất phenol. Khi thời gian điều trị là 20 phút,ILSS và lực giải ly vi mô giữa sợi đơn và nhựa ma trận tăng 520,8% và 56,5%, tương ứng, và hiệu suất liên kết giao diện của sản phẩm cuối cùng tăng hơn 40%.và tải trọng gãy tối đa và chỉ số độ dẻo dai của vữa xi măng CFRP của họ tăng đáng kể. Kingsley Kin Chee Ho et al. [5] đã áp dụng một phương pháp xử lý mới liên quan đến sự liên tục hoặc liên tục một mặt hoặc hai mặt fluor hóa sợi cacbon bằng plasma,đưa các nhóm fluor lên bề mặt sợi cacbon.

2.3 Điều trị lớp phủ

Điều trị lớp phủ bao gồm việc áp dụng một polyme nhất định lên bề mặt sợi để thay đổi cấu trúc và tính chất của lớp giao diện composite.lớp phủ có thể bảo vệ sợi khỏi bị hư hỏng, cải thiện kết hợp sợi và giúp sử dụng sức mạnh sợi; lớp phủ có thể thay đổi tính chất bề mặt của sợi và cải thiện khả năng ướt sợi với ma trận nhựa;Các nhóm chức năng phản ứng trong lớp phủ tạo điều kiện liên kết hóa học giữa bề mặt sợi và ma trận nhựaCác lớp phủ có thể ngăn ngừa sự mất tích hoạt tính bề mặt sau khi xử lý bề mặt.[6] phủ một lớp phủ nano polyimide (PI) dày khoảng 100 nm trên bề mặt của sợi carbon T1000Khi các gói sợi cacbon được kéo dài, các lớp phủ nano PI giúp ngăn ngừa sự lan truyền của các khiếm khuyết bề mặt trên sợi cacbon và giảm nồng độ căng thẳng,tăng hiệu quả độ bền kéo của sợi carbon.

3Ứng dụng của sợi carbon

3.1 Phòng hàng không vũ trụ

Các hợp chất sợi cacbon có một loạt các lợi thế, bao gồm độ bền cụ thể cao và mô-đun cụ thể, khả năng chống mệt mỏi tốt và ổn định kích thước tuyệt vời.Chúng phục vụ như một vật liệu cơ bản cho sự phát triển vũ khí thế hệ mới và được sử dụng rộng rãi như vật liệu cấu trúc cho máy bay và tàu vũ trụCác ví dụ bao gồm vật liệu cấu trúc chính cho cánh chính, cánh đuôi và thân máy bay; vật liệu cấu trúc thứ cấp như trục, tay lái, thang máy, vật liệu nội thất,vật liệu sàn, chùm và đệm phanh; lưỡi máy bay trực thăng; nón ống xả tên lửa, nắp động cơ, vv; cơ cấu vệ tinh, tấm pin mặt trời và ăng-ten, xe phóng và vỏ tên lửa.

3.2 Khu vực củng cố tòa nhà

Sức mạnh cụ thể của vật liệu tổng hợp tăng cường bằng sợi cao hơn nhiều so với thép, và mô-đun cụ thể của chúng cũng thường cao hơn thép.Hiệu suất cơ học tuyệt vời này đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi như là vật liệu gia cố và sửa chữa cho các cấu trúc kỹ thuật dân dụng ở Nhật Bản, Hoa Kỳ, châu Âu, và các quốc gia và khu vực khác.Các vật liệu sợi cacbon có độ đàn hồi tương đương với thép trong khi thể hiện độ bền kéo cao gấp 10 lần so với thép thông thườngChống ăn mòn và độ bền của chúng cũng rất tốt. Do đó, khi sử dụng sợi cacbon để củng cố các cấu trúc bê tông, không cần thêm cọc hoặc móc đinh để cố định.Chống ăn mòn và độ bền là xuất sắc, sự xáo trộn với cấu trúc bê tông ban đầu là tối thiểu, và quá trình xây dựng là đơn giản và thuận tiện.

Kết luận

Tóm lại, các phương pháp xử lý bề mặt khác nhau cho sợi cacbon có đặc điểm riêng.Các phương pháp lắng đọng hơi và plasma vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm cả trong nước và quốc tế và chưa đạt được sản xuất công nghiệpTrong các phương pháp oxy hóa, oxy hóa pha lỏng chỉ phù hợp với hoạt động hàng loạt;thời gian phản ứng cho quá trình oxy hóa pha khí phụ thuộc vào loại sợi carbon và mức độ oxy hóa mong muốn; oxy hóa kép khí-nước rất khó kiểm soát.Nó không chỉ cải thiện đáng kể độ ướt bề mặt và tính phản ứng của sợi cacbon mà còn có điều kiện xử lý nhẹ dễ kiểm soátĐiều trị bề mặt sợi là đồng nhất, và phương pháp dễ dàng tích hợp với các dây chuyền sản xuất sợi cacbon, cung cấp triển vọng rộng rãi cho ứng dụng trong sản xuất sợi cacbon công nghiệp.

Địa chỉ:

1. Qian Shuilin. Phân tích ứng dụng và nhu cầu thị trường của sợi cacbon [J]. Công nghệ hóa dầu và kinh tế, 2008, 24 ((1): 26-27.

2. Li L. Nghiên cứu giao diện về ozone và các hợp chất PEEK củng cố bằng sợi carbon được sửa đổi bằng oxy hóa không khí [J].

3. Li J, Su Y H. Giao diện xử lý oxy hóa về tính chất thuật ngữ của hợp chất PTFE tăng cường bằng sợi cacbon dưới điều kiện bôi trơn bằng dầu [J].333-337.

4. Liu J, Tian Y L, Chen Y J, Liang J Y. Tính chất giao diện và cơ học của sợi cacbon được sửa đổi bằng oxy hóa điện hóa trong dung dịch hợp chất nước (NH4HCO3)/(NH4) 2C2O4·H2O [J].Khoa học bề mặt ứng dụng, 2010, 256 ((21): 61996204.

5. Kingsley K C H, Adam F L, Lamoriniere S, Bismarck A. Fluorination plasma khí quyển liên tục của sợi cacbon [J].

6. Melanoma T, Naito K, Yang J M, Kyoto J, Sacker D, Kagawa Y. Ảnh hưởng của lớp phủ nano polyimide phù hợp với tính đặc tính kéo của sợi carbon PAN có độ bền cao [J].Các vật liệu tổng hợp Khoa học và Công nghệ, 2009, 69 (((7-8): ... (tín hiệu không đầy đủ như đã được cung cấp)