Süsinikkiust komposiitmaterjalide valmistamisprotsess

Süsinik-süsinik komposiitmaterjalide ülevaade

Süsinik/süsinik (C/C) komposiitmaterjalon süsinikkiuga tugevdatud komposiitmaterjal, millel on rida suurepäraseid omadusi, nagu kõrge tugevus ja moodul, kerge erikaal, väike soojuspaisumistegur, korrosioonikindlus, vastupidavus termilisele löögile, hea hõõrdekindlus ja hea keemiline stabiilsus. See on uut tüüpi ülikõrge temperatuuriga komposiitmaterjal.

C/C komposiitmaterjalon suurepärane soojuskonstruktsiooni-funktsionaalne integreeritud insener-materjal. Nagu teisedki suure jõudlusega komposiitmaterjalid, on see komposiitkonstruktsioon, mis koosneb kiududega tugevdatud faasist ja põhifaasist. Erinevus seisneb selles, et nii tugevdatud faas kui ka põhifaas koosnevad spetsiaalsete omadustega puhtast süsinikust.

Süsinik/süsinik komposiitmaterjalidon peamiselt valmistatud süsinikvildist, süsinikkangast, süsinikkiust tugevdusena ja aurustatud süsinikust maatriksina, kuid sellel on ainult üks element, milleks on süsinik. Tiheduse suurendamiseks immutatakse karboniseerimisel tekkiv süsinik süsinikuga või immutatakse vaiguga (või asfaldiga), st süsinik/süsinik komposiitmaterjalid on valmistatud kolmest süsinikmaterjalist.

Süsinik-süsinik komposiitmaterjalide tootmisprotsess

1) Süsinikkiu valik

Tootmise aluseks on süsinikkiust kimpude valik ja kiudkanga struktuurne disainC/C komposiit. C/C komposiitide mehaanilisi ja termofüüsikalisi omadusi saab määrata ratsionaalselt valides kiutüüpe ja kangakudumise parameetreid, nagu näiteks lõngakimpude paigutuse orientatsioon, lõngakimpude vahekaugus, lõngakimbu mahu sisaldus jne.

2) Süsinikkiust tooriku valmistamine

Süsinikkiust eelvorm viitab toorikule, mis vormitakse tihendusprotsessi läbiviimiseks vastavalt toote kuju- ja jõudlusnõuetele kiu vajalikuks struktuurseks kujuks. Eelvormitud konstruktsiooniosade jaoks on kolm peamist töötlemismeetodit: pehme kudumine, kõva kudumine ning pehme ja kõva segakudumine. Peamised kudumisprotsessid on: kuivlõnga kudumine, eelimmutatud varraste rühmade paigutus, peenkudumispunkt, kiudude mähkimine ja kolmemõõtmeline mitmesuunaline üldkudumine. Praegu on C-komposiitmaterjalides kasutatav peamine kudumisprotsess kolmemõõtmeline üldine mitmesuunaline kudumine. Kudumisprotsessi ajal on kõik kootud kiud paigutatud teatud suunas. Iga kiud on oma suunas teatud nurga all nihutatud ja üksteisega põimitud, et moodustada kangas. Selle eripäraks on see, et see võib moodustada kolmemõõtmelise mitmesuunalise üldkanga, mis suudab tõhusalt kontrollida kiudude mahtu C/C komposiitmaterjali igas suunas, nii et C/C komposiitmaterjalil on mõistlikud mehaanilised omadused. igas suunas.

3) C/C tihendamise protsess

Tihendamise astet ja efektiivsust mõjutavad peamiselt kanga struktuur ja alusmaterjali protsessiparameetrid. Praegu kasutatavate protsessimeetodite hulka kuuluvad immutamine, karboniseerimine, keemiline aurustamine-sadestamine (CVD), keemiline aurude infiltratsioon (CVI), keemiline vedelsadestamine, pürolüüs ja muud meetodid. Protsessimeetodeid on kahte peamist tüüpi: immutamise karboniseerimisprotsess ja keemilise auru infiltratsiooni protsess.

Vedelfaasi immutamine-karboniseerimine

Vedelfaasi immutamise meetod on seadmetes suhteliselt lihtne ja laialdaselt rakendatav, seega on vedelfaasi immutamise meetod C / C komposiitmaterjalide valmistamisel oluline meetod. Süsinikkiust valmistatud tooriku sukeldamine vedelasse immutusvahendisse ja immutusaine tungimine survestamise abil täielikult tooriku tühimikesse ning seejärel mitmete protsesside, nagu kõvendamine, karboniseerimine ja grafitiseerimine, tulemuseks.C/C komposiitmaterjalid. Selle puuduseks on see, et tihedusnõuete saavutamiseks kulub korduvaid immutamis- ja karboniseerimistsükleid. Vedelfaasi immutusmeetodil on immutusaine koostis ja struktuur väga olulised. See ei mõjuta mitte ainult tihendamise efektiivsust, vaid mõjutab ka toote mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi. C/C komposiitmaterjalide valmistamisel vedelfaasi immutusmeetodil on läbi aegade olnud üheks võtmeküsimuseks impregnaadi karbonisatsiooni saagise parandamine ja immutuse viskoossuse vähendamine. Impregnaadi kõrge viskoossus ja madal karboniseerumisvõime on C/C komposiitmaterjalide kõrge hinna üheks oluliseks põhjuseks. Impregnaadi jõudluse parandamine ei saa mitte ainult parandada C / C komposiitmaterjalide tootmise efektiivsust ja vähendada nende maksumust, vaid ka parandada C / C komposiitmaterjalide erinevaid omadusi. C/C komposiitmaterjalide oksüdatsioonivastane töötlemine Süsinikkiud hakkab õhu käes oksüdeeruma 360°C juures. Grafiitkiud on veidi parem kui süsinikkiud ja selle oksüdatsioonitemperatuur hakkab oksüdeeruma 420 °C juures. C/C komposiitmaterjalide oksüdatsioonitemperatuur on umbes 450°C. C/C komposiitmaterjale on väga lihtne oksüdeerida kõrge temperatuuriga oksüdatiivses atmosfääris ja oksüdatsioonikiirus suureneb kiiresti temperatuuri tõustes. Kui oksüdatsioonivastaseid meetmeid ei võeta, põhjustab C/C komposiitmaterjalide pikaajaline kasutamine kõrge temperatuuriga oksüdatiivses keskkonnas paratamatult katastroofilisi tagajärgi. Seetõttu on C/C komposiitmaterjalide oksüdatsioonivastane töötlemine muutunud selle valmistamise protsessi asendamatuks osaks. Antioksüdatsioonitehnoloogia vaatenurgast võib selle jagada sisemiseks antioksüdatsioonitehnoloogiaks ja oksüdatsioonivastaseks kattetehnoloogiaks.

Keemiline aurufaas

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD või CVI) on süsiniku sadestamine otse tooriku pooridesse, et saavutada pooride täitmise ja tiheduse suurendamise eesmärk. Sadestunud süsinikku on lihtne grafitiseerida ja sellel on kiuga hea füüsiline ühilduvus. See ei vähene uuesti karboniseerimise ajal nagu immutusmeetodil ning selle meetodi füüsikalised ja mehaanilised omadused on paremad. Kui aga CVD-protsessi ajal tooriku pinnale sadestub süsinik, takistab see gaasi difundeerumist sisemistesse pooridesse. Pinnale ladestunud süsinik tuleks mehaaniliselt eemaldada ja seejärel teha uus sadestamisvoor. Paksude toodete puhul on CVD-meetodil ka teatud raskusi ning selle meetodi tsükkel on samuti väga pikk.