Proces pripreme kompozitnih materijala od karbonskih vlakana

Pregled ugljik-ugljik kompozitnih materijala

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

C/C kompozitni materijalizvrstan je toplinski strukturno-funkcionalni 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 se i ojačana faza i osnovna faza sastoje od čistog ugljika s posebnim svojstvima.

Ugljik/ugljik kompozitni materijaliuglavnom se izrađuju od ugljičnog filca, ugljične tkanine, ugljičnih vlakana kao ojačanja i ugljika nanesenog parom kao matrice, ali imaju samo jedan element, a to je ugljik. Da bi se povećala gustoća, ugljik nastao karbonizacijom impregnira se ugljikom ili impregnira smolom (ili asfaltom), odnosno kompozitni materijali ugljik/ugljik izrađuju se od tri ugljična materijala.

Proces proizvodnje ugljik-ugljik kompozitnih materijala

1) Izbor karbonskih vlakana

Odabir snopova karbonskih vlakana i strukturni dizajn tkanina od vlakana osnova su 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 rasporeda snopova pređe, razmak snopova pređe, volumenski sadržaj snopa pređe itd.

2) Priprema preforme od karbonskih vlakana

Predoblik od ugljičnih vlakana odnosi se na izradak koji se oblikuje u traženi strukturni oblik vlakana u skladu s oblikom proizvoda i zahtjevima izvedbe kako bi se proveo proces zgušnjavanja. Postoje tri glavne metode obrade za prethodno oblikovane konstrukcijske dijelove: meko tkanje, tvrdo tkanje i meko i tvrdo miješano tkanje. Glavni procesi tkanja su: suho tkanje pređe, prethodno impregnirani raspored grupa šipki, fino probijanje tkanja, namotavanje vlakana i trodimenzionalno višesmjerno sveukupno tkanje. Trenutačno je glavni proces tkanja koji se koristi u C kompozitnim materijalima trodimenzionalno sveukupno višesmjerno tkanje. Tijekom procesa tkanja, sva tkana vlakna su raspoređena u određenom smjeru. Svako je vlakno pomaknuto pod određenim kutom duž vlastitog smjera i isprepleteno jedno s drugim kako bi oblikovalo tkaninu. 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 pokazati razumna mehanička svojstva u svim pravcima.

3) C/C proces zgušnjavanja

Na stupanj i učinkovitost zgušnjavanja uglavnom utječu struktura tkanine i procesni parametri osnovnog materijala. Procesne metode koje se trenutno koriste uključuju impregnacijsku karbonizaciju, kemijsko taloženje parom (CVD), kemijsku infiltraciju parom (CVI), kemijsko tekuće taloženje, pirolizu i druge metode. Postoje dvije glavne vrste procesnih metoda: proces karbonizacije impregnacije i postupak infiltracije kemijskom parom.

Impregnacija-karbonizacija u tekućoj fazi

Metoda impregnacije tekuće faze relativno je jednostavna u opremi i ima široku primjenjivost, stoga je metoda impregnacije tekuće faze važna metoda za pripremu C/C kompozitnih materijala. To je uroniti predformu izrađenu od ugljičnih vlakana u tekući impregnant i učiniti da impregnant u potpunosti prodre u šupljine predforme pritiskom, a zatim kroz niz procesa kao što su stvrdnjavanje, karbonizacija i grafitizacija, konačno dobitiC/C kompozitni materijali. Njegov nedostatak je što su potrebni ponovljeni ciklusi impregnacije i karbonizacije kako bi se postigla zahtijevana gustoća. Sastav i struktura impregnanta u metodi impregnacije tekuće faze vrlo su važni. Ne samo da utječe na učinkovitost zgušnjavanja, već također utječe na mehanička i fizikalna svojstva proizvoda. Poboljšanje prinosa karbonizacije impregnanta i smanjenje viskoznosti impregnanta oduvijek je bilo jedno od ključnih pitanja koje je trebalo riješiti u pripremi C/C kompozitnih materijala metodom impregnacije tekuće faze. Visoka viskoznost i nizak prinos karbonizacije impregnanta jedan su od važnih razloga visoke cijene C/C kompozitnih materijala. Poboljšanje performansi impregnanta ne samo da može poboljšati učinkovitost 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. Grafitno vlakno nešto je bolje od karbonskih vlakana, a njegova oksidacijska temperatura počinje oksidirati na 420°C. Temperatura oksidacije C/C kompozitnih materijala je oko 450°C. C/C kompozitni materijali vrlo se lako oksidiraju u visokotemperaturnoj oksidativnoj atmosferi, a brzina oksidacije brzo raste s porastom temperature. Ako nema antioksidacijskih mjera, dugotrajna uporaba C/C kompozitnih materijala u visokotemperaturnom oksidativnom okruženju neizbježno će izazvati katastrofalne posljedice. Stoga je antioksidacijska obrada C/C kompozitnih materijala postala neizostavan dio procesa njihove pripreme. Iz perspektive antioksidacijske tehnologije, može se podijeliti na unutarnju antioksidacijsku tehnologiju i tehnologiju antioksidacijskog premaza.

Kemijska parna faza

Kemijsko taloženje iz parne pare (CVD ili CVI) je taloženje ugljika izravno u pore uzorka kako bi se postigla svrha ispunjavanja pora i povećanja gustoće. Taloženi ugljik lako se grafitizira i ima dobru fizičku kompatibilnost s vlaknom. Neće se skupljati tijekom rekarbonizacije kao metoda impregnacije, a fizikalna i mehanička svojstva ove metode su bolja. Međutim, tijekom CVD procesa, ako se ugljik taloži na površini uzorka, to će spriječiti difuziju plina u unutarnje pore. Ugljik koji se nataložio na površini treba mehanički ukloniti i zatim izvršiti novi krug taloženja. Za guste proizvode, CVD metoda također ima određene poteškoće, a ciklus ove metode je također vrlo dug.