Postopek priprave kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken

Pregled ogljik-ogljik kompozitnih materialov

Ogljik/ogljik (C/C) kompozitni materialje kompozitni material, ojačan z ogljikovimi vlakni, z nizom odličnih lastnosti, kot so visoka trdnost in modul, majhna specifična teža, majhen koeficient toplotnega raztezanja, odpornost proti koroziji, odpornost na toplotne udarce, dobra odpornost proti trenju in dobra kemična stabilnost. Gre za novo vrsto ultravisokotemperaturnega kompozitnega materiala.

C/C kompozitni materialje odličen toplotno strukturno funkcionalen integriran inženirski material. Tako kot drugi visokozmogljivi kompozitni materiali je tudi ta kompozitna struktura, sestavljena iz z vlakni ojačene faze in bazične faze. Razlika je v tem, da sta tako ojačana kot osnovna faza sestavljeni iz čistega ogljika s posebnimi lastnostmi.

Ogljik/ogljik kompozitni materialiso večinoma izdelani iz karbonske klobučevine, karbonske tkanine, karbonskih vlaken kot ojačitve in parno nanesenega ogljika kot matrice, vendar ima samo en element, to je ogljik. Za povečanje gostote se ogljik, ki nastane pri karbonizaciji, impregnira z ogljikom ali impregnira s smolo (ali asfaltom), kar pomeni, da so kompozitni materiali ogljik/ogljik izdelani iz treh ogljikovih materialov.

Postopek izdelave ogljik-ogljik kompozitnih materialov

1) Izbira ogljikovih vlaken

Izbor snopov ogljikovih vlaken in strukturna zasnova tkanin iz vlaken sta osnova za proizvodnjoC/C kompozit. Mehanske lastnosti in termofizikalne lastnosti C/C kompozitov je mogoče določiti z racionalno izbiro vrst vlaken in parametrov tkanja tkanine, kot so orientacija razporeditve snopov preje, razmik snopov preje, prostorninska vsebnost snopa preje itd.

2) Priprava predoblike ogljikovih vlaken

Predoblika iz ogljikovih vlaken se nanaša na surovec, ki je oblikovan v zahtevano strukturno obliko vlakna glede na obliko izdelka in zahteve glede zmogljivosti, da se izvede postopek zgoščevanja. Obstajajo tri glavne metode obdelave predoblikovanih konstrukcijskih delov: mehko tkanje, trdo tkanje ter mehko in trdo mešano tkanje. Glavni postopki tkanja so: tkanje suhe preje, vnaprej impregnirana razporeditev skupin palic, fino prebadanje tkanja, navijanje vlaken in tridimenzionalno večsmerno celotno tkanje. Trenutno je glavni postopek tkanja, ki se uporablja v kompozitnih materialih C, tridimenzionalno splošno večsmerno tkanje. Med procesom tkanja so vsa tkana vlakna razporejena v določeni smeri. Vsako vlakno je zamaknjeno pod določenim kotom vzdolž svoje smeri in prepleteno med seboj, da tvori tkanino. Njegova značilnost je, da lahko tvori tridimenzionalno večsmerno celotno tkanino, ki lahko učinkovito nadzoruje prostorninsko vsebnost vlaken v vsaki smeri kompozitnega materiala C/C, tako da lahko kompozitni material C/C izvaja razumne mehanske lastnosti v vse smeri.

3) Postopek zgoščevanja C/C

Na stopnjo in učinkovitost zgoščevanja vplivata predvsem struktura tkanine in procesni parametri osnovnega materiala. Procesne metode, ki se trenutno uporabljajo, vključujejo impregnacijsko karbonizacijo, kemično parno nanašanje (CVD), kemično parno infiltracijo (CVI), kemično tekoče nanašanje, pirolizo in druge metode. Obstajata dve glavni vrsti procesnih metod: postopek impregnacije karbonizacije in postopek kemične parne infiltracije.

Tekočefazna impregnacija-karbonizacija

Metoda impregnacije s tekočo fazo je relativno enostavna glede opreme in ima široko uporabnost, zato je metoda impregnacije s tekočo fazo pomembna metoda za pripravo C/C kompozitnih materialov. Gre za potopitev predoblike iz ogljikovih vlaken v tekočo impregnacijo in omogočiti, da impregnant v celoti prodre v praznine predoblike s pritiskom, nato pa skozi vrsto postopkov, kot so utrjevanje, karbonizacija in grafitizacija, končno pridobimoC/C kompozitni materiali. Njegova pomanjkljivost je, da so potrebni ponavljajoči se cikli impregnacije in karbonizacije, da se dosežejo zahteve glede gostote. Sestava in struktura impregnanta pri metodi impregnacije s tekočo fazo sta zelo pomembni. Ne vpliva le na učinkovitost zgoščevanja, ampak tudi na mehanske in fizikalne lastnosti izdelka. Izboljšanje karbonizacijskega izkoristka impregnanta in zmanjšanje viskoznosti impregnanta je bilo vedno eno od ključnih vprašanj, ki jih je treba rešiti pri pripravi C/C kompozitnih materialov z metodo impregnacije v tekoči fazi. Visoka viskoznost in nizek izkoristek karbonizacije impregnanta sta eden od pomembnih razlogov za visoke stroške kompozitnih materialov C/C. Izboljšanje delovanja impregnanta lahko ne samo izboljša učinkovitost proizvodnje C/C kompozitnih materialov in zmanjša njihove stroške, ampak tudi izboljša različne lastnosti C/C kompozitnih materialov. Antioksidacijska obdelava C/C kompozitnih materialov Ogljikova vlakna začnejo oksidirati pri 360°C na zraku. Grafitna vlakna so nekoliko boljša od ogljikovih vlaken, njihova oksidacijska temperatura pa začne oksidirati pri 420°C. Temperatura oksidacije C/C kompozitnih materialov je okoli 450°C. C/C kompozitne materiale je zelo enostavno oksidirati v visokotemperaturni oksidativni atmosferi, stopnja oksidacije pa hitro narašča s povišanjem temperature. Če ni antioksidacijskih ukrepov, bo dolgotrajna uporaba C/C kompozitnih materialov v visokotemperaturnem oksidativnem okolju neizogibno povzročila katastrofalne posledice. Zato je antioksidacijska obdelava C/C kompozitnih materialov postala nepogrešljiv del procesa njihove priprave. Z vidika antioksidacijske tehnologije jo lahko razdelimo na notranjo antioksidacijsko tehnologijo in tehnologijo antioksidacijskega premaza.

Kemična parna faza

Kemično naparjevanje (CVD ali CVI) je nanašanje ogljika neposredno v pore surovca, da se doseže namen zapolnitve por in povečanja gostote. Odloženi ogljik je enostavno grafitizirati in ima dobro fizično združljivost z vlakni. Med rekarbonizacijo se ne bo krčil kot pri metodi impregnacije, fizikalne in mehanske lastnosti te metode pa so boljše. Vendar pa bo med postopkom CVD, če se ogljik nanese na površino surovca, preprečil difuzijo plina v notranje pore. Ogljik, ki se je nanesel na površino, je treba mehansko odstraniti in nato izvesti nov krog nanašanja. Pri debelih izdelkih ima metoda CVD tudi določene težave, cikel te metode pa je tudi zelo dolg.