Proces pripreme kompozitnih materijala od karbonskih vlakana

Pregled ugljik-ugljik kompozitnih materijala

Ugljik/ugljik (C/C) kompozitni materijalje kompozitni materijal ojačan karbonskim vlaknima s nizom odličnih svojstava kao što su visoka čvrstoća i modul, lagana specifična težina, mali koeficijent toplinskog širenja, otpornost na koroziju, otpornost na termički udar, dobra otpornost na trenje i dobra kemijska stabilnost. To je nova vrsta kompozitnog materijala za ultra visoke temperature.

C/C kompozitni materijalje odličan toplinski strukturno funkcionalan integrirani inženjerski materijal. Kao i drugi kompozitni materijali visokih performansi, to je kompozitna struktura sastavljena od faze ojačane vlaknima i osnovne faze. Razlika je u tome što su i ojačana faza i osnovna faza sastavljene od čistog ugljika sa posebnim svojstvima.

Kompozitni materijali ugljik/ugljikuglavnom su napravljeni od karbonskog filca, karbonske tkanine, karbonskih vlakana kao ojačanja i ugljika deponovanog parom kao matrice, ali ima samo jedan element, a to je ugljik. Kako bi se povećala gustoća, ugljik koji nastaje karbonizacijom impregnira se ugljikom ili impregnira smolom (ili asfaltom), odnosno kompozitni materijali ugljik/ugljik izrađuju se od tri ugljična materijala.

Proces proizvodnje kompozitnih materijala ugljik-ugljik

1) Izbor karbonskih vlakana

Odabir snopova karbonskih vlakana i strukturni dizajn vlaknastih tkanina su osnova za proizvodnjuC/C kompozit. Mehanička svojstva i termofizička svojstva C/C kompozita mogu se odrediti racionalnim odabirom vrsta vlakana i parametara tkanja tkanine, kao što su orijentacija snopa pređe, razmak snopova, sadržaj zapremine snopa pređe itd.

2) Priprema predforme od karbonskih vlakana

Predforma od karbonskih vlakana odnosi se na blanko koji se oblikuje u traženi strukturni oblik vlakna prema obliku proizvoda i zahtjevima performansi kako bi se izvršio proces zgušnjavanja. Postoje tri glavne metode obrade prethodno oblikovanih konstrukcijskih dijelova: meko tkanje, tvrdo tkanje i meko i tvrdo mješovito tkanje. Glavni procesi tkanja su: suvo tkanje pređe, raspored grupa predimpregniranih šipki, fino tkano tkanje, namotavanje vlakana i trodimenzionalno višesmjerno ukupno tkanje. Trenutno, glavni proces tkanja koji se koristi u C kompozitnim materijalima je trodimenzionalno ukupno višesmjerno tkanje. Tokom procesa tkanja, sva tkana vlakna su raspoređena u određenom smjeru. Svako vlakno je pomaknuto pod određenim uglom u svom smjeru i isprepleteno jedno s drugim kako bi se formirala tkanina. Njegova karakteristika je da može formirati trodimenzionalnu višesmjernu cjelokupnu tkaninu, koja može učinkovito kontrolirati sadržaj volumena vlakana u svakom smjeru C/C kompozitnog materijala, tako da C/C kompozitni materijal može ispoljiti razumna mehanička svojstva u svim pravcima.

3) C/C proces zgušnjavanja

Na stepen i efikasnost zgušnjavanja uglavnom utiču struktura tkanine i procesni parametri osnovnog materijala. Metode procesa koje se trenutno koriste uključuju karbonizaciju impregnacije, hemijsko taloženje pare (CVD), hemijsku infiltraciju pare (CVI), hemijsko tečno taloženje, pirolizu i druge metode. Postoje dvije glavne vrste procesnih metoda: proces karbonizacije impregnacije i proces infiltracije kemijske pare.

Impregnacija-karbonizacija tečnom fazom

Metoda impregnacije u tečnoj fazi je relativno jednostavna u opremi i ima široku primenu, tako da je metoda impregnacije tečnom fazom važna metoda za pripremu C/C kompozitnih materijala. To je da se predforma napravljena od ugljičnih vlakana uroni u tekući impregnant i da impregnant potpuno prodre u šupljine predforme pritiskom, a zatim se kroz niz procesa kao što su očvršćavanje, karbonizacija i grafitizacija konačno dobijeC/C kompozitni materijali. Njegov nedostatak je što su potrebni ponovljeni ciklusi impregnacije i karbonizacije da bi se postigli zahtjevi za gustinom. Sastav i struktura impregnanata u metodi impregnacije u tečnoj fazi su veoma važni. To ne utiče samo na efikasnost zgušnjavanja, već utiče i na mehanička i fizička svojstva proizvoda. Poboljšanje prinosa karbonizacije impregnata i smanjenje viskoziteta impregnata oduvijek su bili jedno od ključnih pitanja koje je trebalo rješavati u pripremi C/C kompozitnih materijala metodom impregnacije tečnom fazom. Visok viskozitet i niska karbonizacija impregnanta jedan su od važnih razloga za visoku cijenu C/C kompozitnih materijala. Poboljšanje performansi impregnanta može ne samo poboljšati efikasnost proizvodnje C/C kompozitnih materijala i smanjiti njihovu cijenu, već i poboljšati različita svojstva C/C kompozitnih materijala. Antioksidacijski tretman C/C kompozitnih materijala Ugljična vlakna počinju oksidirati na 360°C u zraku. Grafitna vlakna su nešto bolja od karbonskih vlakana, a njihova temperatura oksidacije počinje oksidirati na 420°C. Temperatura oksidacije C/C kompozitnih materijala je oko 450°C. C/C kompozitni materijali se vrlo lako oksidiraju u visokotemperaturnoj oksidativnoj atmosferi, a brzina oksidacije se brzo povećava s povećanjem temperature. Ako nema mjera protiv oksidacije, dugotrajna upotreba C/C kompozitnih materijala u visokotemperaturnom oksidativnom okruženju neizbježno će uzrokovati katastrofalne posljedice. Stoga je antioksidacijski tretman C/C kompozitnih materijala postao nezamjenjiv dio procesa njihove pripreme. Iz perspektive antioksidacijske tehnologije, može se podijeliti na tehnologiju interne antioksidacije i tehnologiju antioksidacijskog premaza.

Hemijska parna faza

Hemijsko taloženje pare (CVD ili CVI) je taloženje ugljenika direktno u pore blanka kako bi se postigla svrha punjenja pora i povećanja gustine. Taloženi ugljenik se lako grafitizira i ima dobru fizičku kompatibilnost sa vlaknom. Neće se skupljati tokom ponovne karbonizacije kao kod metode impregnacije, a fizička i mehanička svojstva ove metode su bolja. Međutim, tokom CVD procesa, ako se ugljenik taloži na površini blanka, to će sprečiti difuziju gasa u unutrašnje pore. Ugljik koji se taloži na površini treba mehanički ukloniti, a zatim izvršiti novu rundu taloženja. Za debele proizvode CVD metoda također ima određenih poteškoća, a ciklus ove metode je također vrlo dug.