Modification de la fibre de carbone

I. Objectif de la modification de la fibre de carbone

Améliorer la compatibilité entrefibre de carboneet la matrice : Amélioration des propriétés mécaniques des matériaux composites et renforcement de l'emboîtement mécanique, de l'adhésion physique et de la liaison chimique entre la surface de la fibre et la matrice.

Amélioration de la liaison interfaciale : lors de la fabrication, les fibres de carbone subissent un traitement de carbonisation à haute température supérieure à 1 000 ℃, ce qui donne une surface lisse dépourvue de groupes fonctionnels actifs. Cela conduit à une inertie de surface, une mauvaise adhérence aux polymères et une faible liaison interfaciale, affectant directement la résistance au cisaillement interlaminaire du matériau composite.

Amélioration de l'activité de surface : cela permet un transfert efficace des charges de contrainte entre la fibre de carbone et le matériau de la matrice, augmentant ainsi la valeur du matériau fibreux dans les applications industrielles.

Amélioration des propriétés des fibres : cela inclut l'amélioration de la résistance à la température et à l'oxydation, qui peut être obtenue en introduisant des traces d'éléments tels que P, B et Zn sur la surface de la fibre ou en enduisant des couches métalliques ou non métalliques.

II. Analyse du mécanisme de modification

1. Mécanisme de modification physique : La modification physique des fibres de carbone permet principalement d'obtenir un renforcement interfacial en augmentant la rugosité de la surface et la surface spécifique :

Augmentation de la rugosité de surface : des méthodes telles que l'oxydation en phase gazeuse et le traitement au plasma peuvent augmenter considérablement la rugosité de surface des fibres de carbone. "Le traitement au plasma d'argon à pression atmosphérique peut augmenter la teneur en oxygène de la surface de la fibre de carbone de 22,5 %, réduire l'angle de contact avec l'eau à 45,1° et maintenir la résistance à la traction à 3,23 GPa après 300 secondes de traitement." Les tests AFM ont montré que la rugosité de la surface (Ra) augmentait de 0,31 μm à 0,47 μm.

Gravure et activation de surface : le traitement d'oxydation électrochimique, grâce à un "processus combiné de gravure par oxydation couche par couche et de changements de groupes fonctionnels", crée des micropores et des rainures sur la surface de la fibre de carbone, augmentant ainsi l'effet de verrouillage mécanique.

Amélioration de la morphologie de la surface : « Le traitement au plasma élimine les contaminants par bombardement physique et introduit des groupes actifs hydroxyle/carboxyle, améliorant ainsi considérablement la résistance au cisaillement intercouche. »

2. Mécanisme de modification chimique

La modification chimique des fibres de carbone permet principalement d'améliorer l'interface en introduisant des groupes fonctionnels actifs :

Introduction de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène : l'oxydation en phase liquide (en utilisant de l'acide nitrique concentré, de l'acide sulfurique concentré, du peroxyde d'hydrogène, etc. comme oxydants) et l'oxydation électrochimique peuvent augmenter considérablement les types et le nombre de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène (tels que les groupes hydroxyle et carboxyle) à la surface de la fibre de carbone. "Le traitement potentiométrique électrolytique peut augmenter la teneur en oxygène sur la surface de la fibre de carbone de 9,36 % à 18,04 %, réduire l'angle de contact de 90,2° à 62,4° et augmenter la résistance au cisaillement interlaminaire jusqu'à 56 %."

Formation de liaisons chimiques : "La DA ou polydopamine (PDA) réalise principalement une modification de greffage chimique en faisant réagir le -NH₂ dans la molécule avec les groupes fonctionnels -C=O et -COO- sur la surface de la fibre de carbone via une réaction de base de Schiff, formant des liaisons chimiques stables sur la surface de la fibre de carbone."

Réaction de greffage de surface : La méthode de greffage de surface consiste à « placer la fibre de carbone dans une atmosphère de monomères actifs, où, sous l'action d'un initiateur, les monomères réagissent avec les groupes actifs ou les atomes de carbone de bord de la fibre ».

Méthode de modification spéciale : « Dans la solution NH₄HCO₃, la surface de la fibre subit principalement une réaction électrolytique de libération d'oxygène de l'eau et une réaction d'oxydation électrochimique de certaines substances électroactives ; Modification de l'agent de couplage : "Un agent de couplage aminosilane (KH550) a été utilisé pour traiter la surface des fibres de carbone, formant une couche d'interface liée chimiquement.

Après modification : le nombre de groupes fonctionnels actifs a augmenté : la teneur en O-C=O a augmenté de 95,24 % et la teneur en C=O a bondi de 508,45 %, formant davantage de sites de liaison à la résine.

III. Performance complète des effets de modification

Après modification, la polarité de surface des fibres de carbone s'est considérablement améliorée, l'angle de contact a diminué et la mouillabilité a été améliorée, améliorant ainsi efficacement les propriétés interfaciales du matériau composite. "La technologie de modification de surface améliore l'activité de surface des fibres de carbone, renforce les propriétés interfaciales entre les fibres de carbone et le matériau de la matrice et améliore leur adhésion à la matrice."

Dans les applications pratiques, la résistance au cisaillement interfacial entre les fibres de carbone modifiées et la matrice de résine s'est considérablement améliorée. "L'IFSS des fibres de carbone modifiées par DA et de la résine époxy E51 a augmenté à 65,32 MPa, soit une augmentation de 47,35 % par rapport aux fibres de carbone non modifiées."

En résumé,fibre de carbonela modification améliore efficacement les propriétés interfaciales entre les fibres de carbone et la matrice par le biais de mécanismes physiques et chimiques, améliorant ainsi considérablement les performances globales du matériau composite.

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