Διαδικασία παρασκευής σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα

Επισκόπηση σύνθετων υλικών άνθρακα-άνθρακα

Σύνθετο υλικό άνθρακα/άνθρακα (C/C).είναι ένα σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα με μια σειρά εξαιρετικών ιδιοτήτων όπως υψηλή αντοχή και μέτρο, ελαφρύ ειδικό βάρος, μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή σε θερμικό σοκ, καλή αντοχή στην τριβή και καλή χημική σταθερότητα. Είναι ένας νέος τύπος σύνθετου υλικού εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας.

C/C σύνθετο υλικόείναι ένα εξαιρετικό ολοκληρωμένο μηχανολογικό υλικό με λειτουργική θερμική δομή. Όπως και άλλα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης, είναι μια σύνθετη δομή που αποτελείται από μια φάση ενισχυμένη με ίνες και μια βασική φάση. Η διαφορά είναι ότι τόσο η ενισχυμένη όσο και η βασική φάση αποτελούνται από καθαρό άνθρακα με ειδικές ιδιότητες.

Σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακακατασκευάζονται κυρίως από τσόχα άνθρακα, ύφασμα άνθρακα, ανθρακονήματα ως ενίσχυση και άνθρακα που εναποτίθεται σε ατμούς ως μήτρα, αλλά έχει μόνο ένα στοιχείο, που είναι ο άνθρακας. Για να αυξηθεί η πυκνότητα, ο άνθρακας που παράγεται από την ενανθράκωση εμποτίζεται με άνθρακα ή εμποτίζεται με ρητίνη (ή άσφαλτο), δηλαδή, τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα κατασκευάζονται από υλικά τριών άνθρακα.

Διαδικασία κατασκευής σύνθετων υλικών άνθρακα-άνθρακα

1) Επιλογή ανθρακονημάτων

Η επιλογή των δεσμών από ανθρακονήματα και ο δομικός σχεδιασμός των υφασμάτων από ίνες αποτελούν τη βάση για την κατασκευήC/C σύνθετο. Οι μηχανικές ιδιότητες και οι θερμοφυσικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών C/C μπορούν να προσδιοριστούν επιλέγοντας ορθολογικά τους τύπους ινών και τις παραμέτρους ύφανσης του υφάσματος, όπως ο προσανατολισμός της διάταξης της δέσμης του νήματος, η απόσταση μεταξύ των δεσμίδων νήματος, η περιεκτικότητα σε όγκο δέσμης νήματος κ.λπ.

2) Παρασκευή προμορφώματος από ανθρακονήματα

Το προφόρμα από ανθρακονήματα αναφέρεται σε ένα τεμάχιο που διαμορφώνεται στο απαιτούμενο δομικό σχήμα της ίνας σύμφωνα με το σχήμα του προϊόντος και τις απαιτήσεις απόδοσης προκειμένου να πραγματοποιηθεί η διαδικασία πύκνωσης. Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι επεξεργασίας για προσχηματισμένα δομικά μέρη: μαλακή ύφανση, σκληρή ύφανση και μαλακή και σκληρή ύφανση. Οι κύριες διαδικασίες ύφανσης είναι: ύφανση ξηρού νήματος, διάταξη ομάδας προ-εμποτισμένης ράβδου, τρύπημα λεπτής ύφανσης, περιέλιξη ινών και τρισδιάστατη πολυκατευθυντική συνολική ύφανση. Επί του παρόντος, η κύρια διαδικασία ύφανσης που χρησιμοποιείται στα σύνθετα υλικά C είναι η τρισδιάστατη συνολική ύφανση πολλαπλών κατευθύνσεων. Κατά τη διαδικασία της ύφανσης, όλες οι υφαντές ίνες είναι διατεταγμένες σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Κάθε ίνα μετατοπίζεται σε μια ορισμένη γωνία κατά μήκος της δικής της κατεύθυνσης και συνυφαίνεται μεταξύ τους για να σχηματίσει ένα ύφασμα. Το χαρακτηριστικό του είναι ότι μπορεί να σχηματίσει ένα τρισδιάστατο συνολικό ύφασμα πολλαπλών κατευθύνσεων, το οποίο μπορεί να ελέγξει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε όγκο των ινών σε κάθε κατεύθυνση του σύνθετου υλικού C/C, έτσι ώστε το σύνθετο υλικό C/C να μπορεί να ασκεί λογικές μηχανικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις.

3) Διαδικασία συμπύκνωσης C/C

Ο βαθμός και η αποτελεσματικότητα της πύκνωσης επηρεάζονται κυρίως από τη δομή του υφάσματος και τις παραμέτρους διεργασίας του βασικού υλικού. Οι μέθοδοι διεργασίας που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν την ενανθράκωση με εμποτισμό, την εναπόθεση χημικών ατμών (CVD), τη διήθηση χημικών ατμών (CVI), την εναπόθεση χημικού υγρού, την πυρόλυση και άλλες μεθόδους. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι μεθόδων διεργασίας: η διαδικασία ενανθράκωσης με εμποτισμό και η διαδικασία διήθησης χημικού ατμού.

Εμποτισμός-ανθρακοποίηση υγρής φάσης

Η μέθοδος εμποτισμού υγρής φάσης είναι σχετικά απλή σε εξοπλισμό και έχει ευρεία εφαρμογή, επομένως η μέθοδος εμποτισμού υγρής φάσης είναι μια σημαντική μέθοδος για την παρασκευή σύνθετων υλικών C/C. Είναι η βύθιση του προπλάσματος από ίνα άνθρακα στο υγρό εμποτισμού και η πλήρης διείσδυση του εμποτισμού στα κενά του προπλάσματος με συμπίεση, και στη συνέχεια μέσω μιας σειράς διεργασιών όπως η σκλήρυνση, η ενανθράκωση και η γραφιτοποίηση, τελικά λαμβάνεταιC/C σύνθετα υλικά. Το μειονέκτημά του είναι ότι απαιτούνται επαναλαμβανόμενοι κύκλοι εμποτισμού και ενανθράκωσης για να επιτευχθούν οι απαιτήσεις πυκνότητας. Η σύνθεση και η δομή του εμποτισμού στη μέθοδο εμποτισμού υγρής φάσης είναι πολύ σημαντικές. Δεν επηρεάζει μόνο την αποτελεσματικότητα της πύκνωσης, αλλά επηρεάζει επίσης τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του προϊόντος. Η βελτίωση της απόδοσης ενανθράκωσης του εμποτισμού και η μείωση του ιξώδους του εμποτισμού ήταν πάντα ένα από τα βασικά ζητήματα που έπρεπε να επιλυθούν στην παρασκευή σύνθετων υλικών C/C με τη μέθοδο εμποτισμού υγρής φάσης. Το υψηλό ιξώδες και η χαμηλή απόδοση ενανθράκωσης του εμποτισμού είναι ένας από τους σημαντικούς λόγους για το υψηλό κόστος των σύνθετων υλικών C/C. Η βελτίωση της απόδοσης του εμποτισμού μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την απόδοση παραγωγής σύνθετων υλικών C/C και να μειώσει το κόστος τους, αλλά και να βελτιώσει τις διάφορες ιδιότητες των σύνθετων υλικών C/C. Αντιοξειδωτική επεξεργασία σύνθετων υλικών C/C Οι ίνες άνθρακα αρχίζουν να οξειδώνονται στους 360°C στον αέρα. Οι ίνες γραφίτη είναι ελαφρώς καλύτερες από τις ίνες άνθρακα και η θερμοκρασία οξείδωσης αρχίζει να οξειδώνεται στους 420°C. Η θερμοκρασία οξείδωσης των σύνθετων υλικών C/C είναι περίπου 450°C. Τα σύνθετα υλικά C/C οξειδώνονται πολύ εύκολα σε οξειδωτική ατμόσφαιρα υψηλής θερμοκρασίας και ο ρυθμός οξείδωσης αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εάν δεν υπάρχουν αντιοξειδωτικά μέτρα, η μακροχρόνια χρήση σύνθετων υλικών C/C σε οξειδωτικό περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας θα προκαλέσει αναπόφευκτα καταστροφικές συνέπειες. Ως εκ τούτου, η αντιοξειδωτική επεξεργασία των σύνθετων υλικών C/C έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας παρασκευής του. Από την άποψη της αντιοξειδωτικής τεχνολογίας, μπορεί να χωριστεί σε εσωτερική τεχνολογία αντιοξειδωτικής και αντιοξειδωτικής τεχνολογίας επίστρωσης.

Φάση χημικών ατμών

Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD ή CVI) είναι η εναπόθεση άνθρακα απευθείας στους πόρους του τυφλού για να επιτευχθεί ο σκοπός της πλήρωσης των πόρων και της αύξησης της πυκνότητας. Ο αποτιθέμενος άνθρακας είναι εύκολο να γραφιτιστεί και έχει καλή φυσική συμβατότητα με την ίνα. Δεν θα συρρικνωθεί κατά την επανανθρακοποίηση όπως η μέθοδος εμποτισμού και οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες αυτής της μεθόδου είναι καλύτερες. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας CVD, εάν εναποτεθεί άνθρακας στην επιφάνεια του τυφλού, θα εμποδίσει τη διάχυση του αερίου στους εσωτερικούς πόρους. Ο άνθρακας που εναποτίθεται στην επιφάνεια πρέπει να αφαιρεθεί μηχανικά και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί νέος γύρος εναπόθεσης. Για παχύρρευστα προϊόντα, η μέθοδος CVD έχει επίσης ορισμένες δυσκολίες και ο κύκλος αυτής της μεθόδου είναι επίσης πολύ μεγάλος.