Процес припреме композитних материјала од угљеничних влакана

Преглед композитних материјала угљеник-угљеник

Композитни материјал угљеник/угљеник (Ц/Ц).је композитни материјал ојачан угљеничним влакнима са низом одличних својстава као што су висока чврстоћа и модул, лагана специфична тежина, мали коефицијент топлотног ширења, отпорност на корозију, отпорност на топлотни удар, добра отпорност на трење и добра хемијска стабилност. То је нова врста композитног материјала за ултра високе температуре.

Ц/Ц композитни материјалје одличан топлотни структурно-функционални интегрисани инжењерски материјал. Као и други композитни материјали високих перформанси, то је композитна структура састављена од фазе ојачане влакнима и основне фазе. Разлика је у томе што су и ојачана фаза и основна фаза састављене од чистог угљеника са посебним својствима.

Композитни материјали угљеник/угљениксу углавном направљени од карбонског филца, карбонске тканине, угљеничних влакана као ојачања и угљеника депонованог паром као матрице, али има само један елемент, а то је угљеник. Да би се повећала густина, угљеник који настаје карбонизацијом се импрегнира угљеником или импрегнира смолом (или асфалтом), односно композитни материјали угљеник/угљеник се праве од три угљенична материјала.

Процес производње угљеник-угљеник композитних материјала

1) Избор карбонских влакана

Одабир снопова карбонских влакана и структурални дизајн влакнастих тканина су основа за производњуЦ/Ц композит. Механичка својства и термофизичка својства Ц/Ц композита могу се одредити рационалним одабиром типова влакана и параметара ткања тканине, као што су оријентација снопа предива, размак снопова предива, садржај запремине снопа предива итд.

2) Припрема предформе од угљеничних влакана

Предформа од угљеничних влакана се односи на бланко који се формира у потребан структурни облик влакна у складу са обликом производа и захтевима перформанси како би се извршио процес згушњавања. Постоје три главне методе обраде претходно обликованих структурних делова: меко ткање, тврдо ткање и меко и тврдо мешано ткање. Главни процеси ткања су: ткање сувог предива, распоред група претходно импрегнисаних шипки, фино ткано ткање, намотавање влакана и тродимензионално вишесмерно укупно ткање. Тренутно, главни процес ткања који се користи у Ц композитним материјалима је тродимензионално укупно вишесмерно ткање. Током процеса ткања, сва ткана влакна су распоређена у одређеном правцу. Свако влакно је померено под одређеним углом дуж сопственог правца и испреплетено једно са другим да би се формирала тканина. Његова карактеристика је да може да формира тродимензионалну вишесмерну целокупну тканину, која може ефикасно контролисати запремински садржај влакана у сваком правцу Ц/Ц композитног материјала, тако да Ц/Ц композитни материјал може испољити разумна механичка својства у свим правцима.

3) Ц/Ц процес згушњавања

На степен и ефикасност згушњавања углавном утичу структура тканине и процесни параметри основног материјала. Методе процеса које се тренутно користе укључују карбонизацију импрегнације, хемијско таложење паре (ЦВД), хемијску инфилтрацију паре (ЦВИ), хемијско течно таложење, пиролизу и друге методе. Постоје две главне врсте процесних метода: процес карбонизације импрегнације и процес инфилтрације хемијске паре.

Импрегнација у течној фази-карбонизација

Метода импрегнације течном фазом је релативно једноставна у опреми и има широку примену, тако да је метода импрегнације течном фазом важна метода за припрему Ц/Ц композитних материјала. То је да се предформа направљена од угљеничних влакана потопи у течни импрегнант, и да импрегнант у потпуности продре у шупљине предформе притиском, а затим се кроз низ процеса као што су очвршћавање, карбонизација и графитизација, коначно добијеЦ/Ц композитни материјали. Његов недостатак је што су потребни поновљени циклуси импрегнације и карбонизације да би се постигли захтеви за густином. Састав и структура импрегнаната у методи импрегнације у течној фази су веома важни. То не утиче само на ефикасност згушњавања, већ утиче и на механичка и физичка својства производа. Побољшање приноса карбонизације импрегнанта и смањење вискозитета импрегнанта су увек били једно од кључних питања које је требало решити у припреми Ц/Ц композитних материјала методом импрегнације течном фазом. Висок вискозитет и низак принос карбонизације импрегнанта су један од важних разлога за високу цену Ц/Ц композитних материјала. Побољшање перформанси импрегнанта не само да може побољшати ефикасност производње Ц/Ц композитних материјала и смањити њихову цену, већ и побољшати различите особине Ц/Ц композитних материјала. Антиоксидациони третман Ц/Ц композитних материјала Угљенична влакна почињу да оксидирају на 360°Ц у ваздуху. Графитна влакна су нешто боља од угљеничних влакана, а њихова температура оксидације почиње да оксидира на 420°Ц. Температура оксидације Ц/Ц композитних материјала је око 450°Ц. Ц/Ц композитни материјали се врло лако оксидирају у високотемпературној оксидативној атмосфери, а брзина оксидације се брзо повећава са повећањем температуре. Ако не постоје мере против оксидације, дуготрајна употреба Ц/Ц композитних материјала у високотемпературном оксидативном окружењу ће неизбежно изазвати катастрофалне последице. Због тога је антиоксидациони третман Ц/Ц композитних материјала постао незаобилазан део процеса њихове припреме. Из перспективе антиоксидационе технологије, може се поделити на унутрашњу антиоксидациону технологију и технологију антиоксидационог премаза.

Хемијска парна фаза

Хемијско таложење паре (ЦВД или ЦВИ) је депоновање угљеника директно у поре бланка да би се постигла сврха пуњења пора и повећања густине. Таложени угљеник се лако графитизује и има добру физичку компатибилност са влакном. Неће се скупљати током поновне карбонизације као код методе импрегнације, а физичка и механичка својства ове методе су боља. Међутим, током ЦВД процеса, ако се угљеник таложи на површини бланка, то ће спречити да гас дифундује у унутрашње поре. Угљеник таложен на површини треба механички уклонити, а затим извршити нову рунду таложења. За густе производе ЦВД метода такође има одређене потешкоће, а циклус ове методе је такође веома дуг.