¿Cómo mejorar el rendimiento de los hilos picados de fibra de carbono a través del pretratamiento? ​

¿Cómo mejora el tratamiento con oxidación el rendimiento de unión de las fibras? ​
Como el primer paso de pretratamiento, el tratamiento con oxidación tiene el objetivo central de introducir grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de la fibra por medios específicos, mejorando así el rendimiento de unión de la fibra con otros materiales. En la operación real, el tratamiento con oxidación adopta principalmente dos métodos: oxidación de fase gaseosa y oxidación de fase líquida. ​
La oxidación de la fase gaseosa es colocar el precursor de fibra de carbono en un entorno específico que contiene gases oxidantes como el oxígeno y el ozono. Bajo las condiciones de temperatura y presión establecidas, las moléculas de gas oxidantes reaccionan químicamente con los átomos de carbono en la superficie de la fibra. A medida que avanza la reacción, los grupos funcionales que contienen oxígeno, como la hidroxilo, el carboxilo y el carbonilo, se forman gradualmente en la superficie de la fibra. La apariencia de estos grupos funcionales es como agregar muchos "puntos de conexión" en la superficie de la fibra, cambiando las propiedades químicas y la estructura física de la superficie de la fibra. ​
La oxidación de la fase líquida utiliza soluciones oxidantes fuertes como el ácido nítrico y el ácido sulfúrico. Después de que el precursor se sumerge en la solución, el oxidante fuerte en la solución se contacta rápidamente y reacciona con la superficie de la fibra, lo que también promueve la generación de grupos funcionales que contienen oxígeno. En comparación con la oxidación de la fase gaseosa, la oxidación de la fase líquida puede controlar con mayor precisión el grado de oxidación, y la concentración de solución y el tiempo de tratamiento pueden ajustarse de acuerdo con las necesidades reales. Sin embargo, estos factores deben controlarse estrictamente durante la operación, porque si se maneja de manera incorrecta, la oxidación excesiva puede dañar la estructura interna de la fibra y afectar el rendimiento general de la fibra. ​
Cuando fibra de carbono hilos picados se agravan con otros materiales, los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie juegan un papel importante. Tomando la matriz de polímero como ejemplo, los grupos carboxilo en la superficie de la fibra pueden reaccionar químicamente con los grupos hidroxilo en el polímero para formar un enlace químico fuerte, realizando la conexión química entre la fibra y el polímero. Además, los grupos funcionales que contienen oxígeno también se pueden combinar de cerca con el material de la matriz a través de la adsorción física. Este rendimiento de unión mejorado permite que la fibra y el material de la matriz funcionen juntos cuando se someten a fuerza y ​​llevan conjuntamente la fuerza externa, evitando efectivamente la aparición de desunión de la interfaz y mejorando significativamente el rendimiento general del material compuesto. En la fabricación de piezas automotrices, las piezas de plástico reforzadas de fibra de carbono oxidado pueden dispersar mejor la fuerza de impacto y mejorar el rendimiento de seguridad del vehículo cuando el vehículo encuentra una colisión. ​
¿Cómo mejora el tratamiento con carbonización la resistencia y el módulo de la fibra?
La carbonización es un paso clave para tratar los precursores de fibra de carbono a altas temperaturas. Su objetivo principal es eliminar los elementos no carbonos de la fibra y aumentar significativamente el contenido de carbono, mejorando significativamente la resistencia y el módulo de la fibra. Este proceso se lleva a cabo en un horno de alta temperatura protegido por gas inerte. A medida que la temperatura aumenta gradualmente, se producen una serie de cambios físicos y químicos complejos y críticos dentro de la fibra. ​
El proceso de carbonización generalmente se divide en múltiples etapas. En la etapa inicial, la mayoría de los elementos no carbonos en el precursor, como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, etc., comienzan a descomponerse y escapar en forma de gas. A medida que los elementos no carbonos continúan separándose, la estructura química de la fibra cambia significativamente. Al ingresar a la etapa intermedia, los átomos de carbono dentro de la fibra comienzan a reorganizarse y se combinaron para formar enlaces de carbono más estables, y la densidad de la fibra continúa aumentando. En la etapa final, bajo la acción continua de alta temperatura, la disposición de los átomos de carbono es más ordenada, la estructura de la fibra se vuelve más densa y su resistencia y módulo mejoran en gran medida. ​
A lo largo del proceso de carbonización, a medida que se eliminan los elementos no carbonosos, se reconstruye una estructura más compacta y estable entre los átomos de carbono. Este cambio estructural reduce los defectos internos de la fibra y aumenta la densidad, dando así a la fibra mayor resistencia y módulo. Una mayor resistencia significa que la fibra puede soportar una mayor tensión sin romperse, y un módulo más alto significa que la fibra tiene una capacidad más fuerte para resistir la deformación cuando se somete a la fuerza. En el campo de los aeroespaciales, los componentes estructurales de la aeronave hechos de hilos de fibra de carbono carbonizados, los materiales compuestos reforzados pueden resistir el enorme estrés generado por la aeronave durante el vuelo de alta velocidad y los entornos complejos, asegurando la estabilidad y la seguridad de la estructura de la aeronave, al tiempo que ayudan a lograr un diseño ligero de la aeronave y reducir los costos de vuelo. ​
¿Cómo mejora la grafitización la conductividad de la fibra y la estabilidad térmica? ​
La grafitización es un paso importante para optimizar aún más el rendimiento de los hilos picados de fibra de carbono. Puede hacer que la estructura cristalina de la fibra sea más regular, mejorando así la conductividad y la estabilidad térmica de la fibra. Este proceso de tratamiento se lleva a cabo a una temperatura más alta que el tratamiento de carbonización. Bajo la fuerte acción de alta temperatura, los átomos de carbono dentro de la fibra obtienen suficiente energía para comenzar a romper las limitaciones de la estructura original y sufrir movimiento y reorganización violentos. ​
Para promover la transformación de los átomos de carbono en la estructura cristalina de grafito, a veces se agregan catalizadores específicos, como sales de metal, durante el proceso de tratamiento. Los catalizadores pueden reducir la energía de activación requerida para el reordenamiento de los átomos de carbono, acelerar el proceso de grafitización y ayudar a formar una estructura de red hexagonal más regular. Durante el proceso de grafitización, los átomos de carbono dispuestos irregularmente se ordenan gradualmente y finalmente forman una estructura de red hexagonal altamente ordenada. ​
Esta estructura cristalina regular tiene una influencia importante en el rendimiento de la fibra. En términos de conductividad, debido a su buena ruta de conducción de electrones, los electrones pueden moverse más suavemente dentro de la fibra, mejorando significativamente la conductividad de la fibra. En el campo de la fabricación de equipos electrónicos, este hilo picado de fibra de carbono altamente conductora se puede utilizar para fabricar placas de circuitos de alto rendimiento, electrodos de batería y otros componentes para mejorar el rendimiento de los equipos electrónicos. En términos de estabilidad térmica, la estructura cristalina regular hace que el enlace entre los átomos de carbono sea más compacto y ordenado. En un entorno de alta temperatura, la fibra puede mantener mejor su integridad estructural y resistir efectivamente la deformación térmica y la descomposición térmica. En los campos industriales de alta temperatura, como la metalurgia, la cerámica y otras industrias, los hilos picados de fibra de carbono grafitizada pueden usarse como materiales resistentes a alta temperatura, trabajando de manera estable durante mucho tiempo en un entorno de alta temperatura, proporcionando garantías confiables para la producción industrial relacionada.