Proceso de preparación de materiales compuestos de fibra de carbono.

Descripción general de los materiales compuestos carbono-carbono

Material compuesto carbono/carbono (C/C)es un material compuesto reforzado con fibra de carbono con una serie de excelentes propiedades como alta resistencia y módulo, gravedad específica ligera, pequeño coeficiente de expansión térmica, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, buena resistencia a la fricción y buena estabilidad química. Es un nuevo tipo de material compuesto de temperatura ultraalta.

Material compuesto C/CEs un excelente material de ingeniería integrado de estructura térmica y funcional. Al igual que otros materiales compuestos de altas prestaciones, se trata de una estructura compuesta compuesta por una fase reforzada con fibras y una fase básica. La diferencia es que tanto la fase reforzada como la fase básica están compuestas de carbono puro con propiedades especiales.

Materiales compuestos de carbono/carbonoEstán hechos principalmente de fieltro de carbono, tela de carbono, fibra de carbono como refuerzo y carbono depositado al vapor como matriz, pero solo tiene un elemento, que es el carbono. Para aumentar la densidad, el carbono generado por la carbonización se impregna con carbono o se impregna con resina (o asfalto), es decir, los materiales compuestos carbono/carbono están hechos de tres materiales de carbono.

Proceso de fabricación de materiales compuestos carbono-carbono.

1) Elección de fibra de carbono

La selección de haces de fibras de carbono y el diseño estructural de los tejidos de fibras son la base para la fabricación.compuesto C/C. Las propiedades mecánicas y termofísicas de los compuestos C/C se pueden determinar seleccionando racionalmente los tipos de fibras y los parámetros de tejido del tejido, como la orientación de la disposición del haz de hilos, el espaciado de los haces de hilos, el contenido de volumen del haz de hilos, etc.

2) Preparación de preforma de fibra de carbono.

La preforma de fibra de carbono se refiere a una pieza en bruto a la que se le da la forma estructural requerida de la fibra de acuerdo con la forma del producto y los requisitos de rendimiento para llevar a cabo el proceso de densificación. Existen tres métodos principales de procesamiento para piezas estructurales preformadas: tejido blando, tejido duro y tejido mixto blando y duro. Los principales procesos de tejido son: tejido de hilo seco, disposición de grupos de varillas preimpregnadas, punción de tejido fino, bobinado de fibra y tejido general multidireccional tridimensional. En la actualidad, el principal proceso de tejido utilizado en los materiales compuestos C es el tejido multidireccional general tridimensional. Durante el proceso de tejido, todas las fibras tejidas se disponen en una dirección determinada. Cada fibra se desplaza en un cierto ángulo a lo largo de su propia dirección y se entrelaza entre sí para formar una tela. Su característica es que puede formar un tejido general multidireccional tridimensional, que puede controlar eficazmente el contenido de volumen de fibras en cada dirección del material compuesto C/C, de modo que el material compuesto C/C pueda ejercer propiedades mecánicas razonables. en todas direcciones.

3) Proceso de densificación C/C

El grado y la eficiencia de la densificación se ven afectados principalmente por la estructura del tejido y los parámetros del proceso del material base. Los métodos de proceso utilizados actualmente incluyen carbonización por impregnación, deposición química de vapor (CVD), infiltración química de vapor (CVI), deposición química de líquido, pirólisis y otros métodos. Hay dos tipos principales de métodos de proceso: proceso de carbonización por impregnación y proceso de infiltración de vapor químico.

Impregnación-carbonización en fase líquida

El método de impregnación en fase líquida es relativamente simple en cuanto a equipos y tiene una amplia aplicabilidad, por lo que el método de impregnación en fase líquida es un método importante para preparar materiales compuestos C/C. Consiste en sumergir la preforma hecha de fibra de carbono en el impregnante líquido y hacer que el impregnante penetre completamente en los huecos de la preforma mediante presurización, y luego, a través de una serie de procesos como curado, carbonización y grafitización, finalmente obtenerMateriales compuestos C/C. Su desventaja es que se necesitan ciclos repetidos de impregnación y carbonización para lograr los requisitos de densidad. La composición y estructura del impregnante en el método de impregnación en fase líquida son muy importantes. No sólo afecta la eficiencia de la densificación, sino que también afecta las propiedades mecánicas y físicas del producto. Mejorar el rendimiento de carbonización del impregnante y reducir la viscosidad del impregnante siempre ha sido una de las cuestiones clave a resolver en la preparación de materiales compuestos C/C mediante el método de impregnación en fase líquida. La alta viscosidad y el bajo rendimiento de carbonización del impregnante son una de las razones importantes del alto coste de los materiales compuestos C/C. Mejorar el rendimiento del impregnante no sólo puede mejorar la eficiencia de producción de los materiales compuestos C/C y reducir su costo, sino también mejorar las diversas propiedades de los materiales compuestos C/C. Tratamiento antioxidante de materiales compuestos C/C La fibra de carbono comienza a oxidarse a 360°C en el aire. La fibra de grafito es ligeramente mejor que la fibra de carbono y su temperatura de oxidación comienza a oxidarse a 420°C. La temperatura de oxidación de los materiales compuestos C/C es de aproximadamente 450°C. Los materiales compuestos C/C son muy fáciles de oxidar en una atmósfera oxidativa de alta temperatura y la tasa de oxidación aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura. Si no existen medidas antioxidantes, el uso prolongado de materiales compuestos C/C en un ambiente oxidativo de alta temperatura inevitablemente causará consecuencias catastróficas. Por tanto, el tratamiento antioxidante de los materiales compuestos C/C se ha convertido en una parte indispensable de su proceso de preparación. Desde la perspectiva de la tecnología antioxidante, se puede dividir en tecnología antioxidante interna y tecnología de recubrimiento antioxidante.

Fase de vapor químico

La deposición química de vapor (CVD o CVI) consiste en depositar carbono directamente en los poros del blanco para lograr el propósito de llenar los poros y aumentar la densidad. El carbono depositado es fácil de grafitizar y tiene buena compatibilidad física con la fibra. No se encogerá durante la recarbonización como el método de impregnación, y las propiedades físicas y mecánicas de este método son mejores. Sin embargo, durante el proceso CVD, si se deposita carbón en la superficie del blanco, evitará que el gas se difunda hacia los poros internos. El carbón depositado en la superficie debe eliminarse mecánicamente y luego se debe realizar una nueva ronda de deposición. Para productos espesos, el método CVD también presenta ciertas dificultades y el ciclo de este método también es muy largo.