Proces přípravy kompozitních materiálů z uhlíkových vláken

Přehled uhlíko-uhlíkových kompozitních materiálů

Kompozitní materiál uhlík/uhlík (C/C).je kompozitní materiál vyztužený uhlíkovými vlákny s řadou vynikajících vlastností, jako je vysoká pevnost a modul, lehká měrná hmotnost, malý koeficient tepelné roztažnosti, odolnost proti korozi, odolnost proti tepelným šokům, dobrá odolnost proti tření a dobrá chemická stabilita. Jedná se o nový typ kompozitního materiálu pro ultravysoké teploty.

C/C kompozitní materiálje vynikající tepelně strukturně-funkční integrovaný inženýrský materiál. Stejně jako ostatní vysoce výkonné kompozitní materiály se jedná o kompozitní strukturu složenou z fáze vyztužené vlákny a základní fáze. Rozdíl je v tom, že zesílená fáze i základní fáze jsou složeny z čistého uhlíku se speciálními vlastnostmi.

Kompozitní materiály uhlík/uhlíkjsou vyrobeny hlavně z uhlíkové plsti, uhlíkové tkaniny, uhlíkových vláken jako výztuže a napařovaného uhlíku jako matrice, ale mají pouze jeden prvek, kterým je uhlík. Za účelem zvýšení hustoty je uhlík generovaný karbonizací impregnován uhlíkem nebo impregnován pryskyřicí (nebo asfaltem), to znamená, že kompozitní materiály uhlík/uhlík jsou vyrobeny ze tří uhlíkových materiálů.

Proces výroby kompozitních materiálů uhlík-uhlík

1) Výběr uhlíkových vláken

Základem výroby je výběr svazků uhlíkových vláken a konstrukční návrh vláknitých tkaninC/C kompozit. Mechanické vlastnosti a termofyzikální vlastnosti C/C kompozitů lze určit racionálním výběrem typů vláken a parametrů tkaní tkaniny, jako je orientace uspořádání svazku příze, rozteč svazku příze, objemový obsah svazku příze atd.

2) Příprava předlisku z uhlíkových vláken

Předlisek z uhlíkových vláken se týká polotovaru, který je vytvarován do požadovaného strukturálního tvaru vlákna podle tvaru produktu a požadavků na výkon za účelem provedení procesu zhušťování. Existují tři hlavní způsoby zpracování předtvarovaných konstrukčních dílů: měkké tkaní, tvrdé tkaní a měkké a tvrdé smíšené tkaní. Hlavními procesy tkaní jsou: tkaní suchou přízí, předem impregnované uspořádání skupin tyčí, jemné propíchnutí tkaní, navíjení vláken a trojrozměrné vícesměrné celkové tkaní. V současnosti je hlavním procesem tkaní používaným v kompozitních materiálech C trojrozměrné celkové vícesměrné tkaní. Během procesu tkaní jsou všechna tkaná vlákna uspořádána v určitém směru. Každé vlákno je posunuto pod určitým úhlem podél svého vlastního směru a vzájemně propleteno, aby vytvořilo tkaninu. Jeho charakteristikou je, že může tvořit trojrozměrnou vícesměrnou celkovou tkaninu, která může účinně řídit objemový obsah vláken v každém směru kompozitního materiálu C/C, takže kompozitní materiál C/C může vykazovat rozumné mechanické vlastnosti. ve všech směrech.

3) Proces zahušťování C/C

Stupeň a účinnost zhuštění ovlivňuje především struktura tkaniny a procesní parametry základního materiálu. V současnosti používané procesní metody zahrnují impregnační karbonizaci, chemickou parní depozici (CVD), chemickou parní infiltraci (CVI), chemickou kapalinovou depozici, pyrolýzu a další metody. Existují dva hlavní typy procesních metod: proces impregnační karbonizace a proces infiltrace chemických par.

Impregnace-karbonizace v kapalné fázi

Metoda impregnace kapalnou fází je v zařízení relativně jednoduchá a má širokou použitelnost, takže metoda impregnace kapalnou fází je důležitou metodou pro přípravu kompozitních materiálů C/C. Jedná se o ponoření předlisku vyrobeného z uhlíkových vláken do kapalného impregnantu a přimět impregnant plně proniknout do dutin předlisku tlakováním a poté pomocí řady procesů, jako je vytvrzování, karbonizace a grafitizace, nakonec získatC/C kompozitní materiály. Jeho nevýhodou je, že k dosažení požadovaných hustot je zapotřebí opakovaných impregnačních a karbonizačních cyklů. Složení a struktura impregnantu v metodě impregnace v kapalné fázi jsou velmi důležité. Neovlivňuje pouze účinnost zahušťování, ale ovlivňuje také mechanické a fyzikální vlastnosti produktu. Zlepšení výtěžku karbonizace impregnantu a snížení viskozity impregnantu byly vždy jedním z klíčových problémů, které bylo třeba vyřešit při přípravě C/C kompozitních materiálů metodou impregnace v kapalné fázi. Vysoká viskozita a nízký výtěžek karbonizace impregnantu jsou jedním z důležitých důvodů vysokých nákladů na C/C kompozitní materiály. Zlepšení výkonu impregnantu může nejen zlepšit efektivitu výroby C/C kompozitních materiálů a snížit jejich cenu, ale také zlepšit různé vlastnosti C/C kompozitních materiálů. Antioxidační úprava C/C kompozitních materiálů Uhlíkové vlákno začíná oxidovat při 360°C na vzduchu. Grafitové vlákno je o něco lepší než uhlíkové vlákno a jeho oxidační teplota začíná oxidovat při 420 °C. Oxidační teplota C/C kompozitních materiálů je asi 450 °C. C/C kompozitní materiály se velmi snadno oxidují ve vysokoteplotní oxidační atmosféře a rychlost oxidace se rychle zvyšuje s rostoucí teplotou. Pokud neexistují žádná antioxidační opatření, dlouhodobé používání C/C kompozitních materiálů ve vysokoteplotním oxidativním prostředí nevyhnutelně způsobí katastrofální následky. Proto se antioxidační úprava C/C kompozitních materiálů stala nepostradatelnou součástí procesu jejich přípravy. Z hlediska antioxidační technologie ji lze rozdělit na vnitřní antioxidační technologii a technologii antioxidačního nátěru.

Chemická fáze páry

Chemická depozice z plynné fáze (CVD nebo CVI) spočívá v ukládání uhlíku přímo do pórů polotovaru, aby se dosáhlo vyplnění pórů a zvýšení hustoty. Uložený uhlík se snadno grafitizuje a má dobrou fyzikální kompatibilitu s vláknem. Nesmršťuje se při rekarbonizaci jako metoda impregnace a fyzikální a mechanické vlastnosti této metody jsou lepší. Pokud se však během procesu CVD na povrchu polotovaru usadí uhlík, zabrání to difuzi plynu do vnitřních pórů. Uhlík usazený na povrchu by měl být mechanicky odstraněn a poté by mělo být provedeno nové kolo nanášení. U tlustých výrobků má metoda CVD také určitá úskalí a cyklus této metody je také velmi dlouhý.