ขั้นตอนการเตรียมวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

ภาพรวมของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอน

วัสดุผสมคาร์บอน/คาร์บอน (C/C)เป็นวัสดุคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งแรงสูงและโมดูลัส ความถ่วงจำเพาะของแสง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนเล็กน้อย ความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อน ความต้านทานแรงเสียดทานที่ดี และเสถียรภาพทางเคมีที่ดี เป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีอุณหภูมิสูงพิเศษชนิดใหม่

วัสดุคอมโพสิต C/Cเป็นวัสดุทางวิศวกรรมแบบบูรณาการที่มีฟังก์ชันการทำงานด้านความร้อนที่ดีเยี่ยม เช่นเดียวกับวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงอื่นๆ มันเป็นโครงสร้างคอมโพสิตที่ประกอบด้วยเฟสที่เสริมด้วยเส้นใยและเฟสพื้นฐาน ความแตกต่างก็คือทั้งเฟสเสริมและเฟสพื้นฐานประกอบด้วยคาร์บอนบริสุทธิ์ที่มีคุณสมบัติพิเศษ

วัสดุผสมคาร์บอน/คาร์บอนส่วนใหญ่ทำจากสักหลาดคาร์บอน ผ้าคาร์บอน คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวเสริมแรง และคาร์บอนที่สะสมด้วยไอเป็นเมทริกซ์ แต่มีองค์ประกอบเดียวเท่านั้น ซึ่งก็คือคาร์บอน เพื่อเพิ่มความหนาแน่น คาร์บอนที่เกิดจากคาร์บอไนเซชันจะถูกชุบด้วยคาร์บอนหรือชุบด้วยเรซิน (หรือแอสฟัลต์) กล่าวคือ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนทำจากวัสดุคาร์บอนสามชนิด

กระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอน

1) การเลือกใช้คาร์บอนไฟเบอร์

การเลือกมัดรวมคาร์บอนไฟเบอร์และการออกแบบโครงสร้างของผ้าไฟเบอร์เป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตคอมโพสิต C/C- สมบัติทางกลและสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของคอมโพสิต C/C สามารถกำหนดได้โดยการเลือกประเภทเส้นใยและพารามิเตอร์การทอผ้าอย่างมีเหตุผล เช่น การวางแนวการจัดเรียงมัดเส้นด้าย ระยะห่างระหว่างมัดเส้นด้าย ปริมาณปริมาตรมัดเส้นด้าย เป็นต้น

2) การเตรียมพรีฟอร์มคาร์บอนไฟเบอร์

พรีฟอร์มคาร์บอนไฟเบอร์หมายถึงช่องว่างที่ก่อตัวเป็นรูปร่างโครงสร้างที่ต้องการของเส้นใยตามรูปร่างของผลิตภัณฑ์และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพเพื่อดำเนินการกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น มีวิธีการประมวลผลหลักสามวิธีสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างสำเร็จรูป: การทอแบบอ่อน การทอแบบแข็ง และการทอแบบผสมแบบอ่อนและแบบแข็ง กระบวนการทอผ้าหลัก ได้แก่ การทอเส้นด้ายแห้ง การจัดเรียงกลุ่มแกนที่เตรียมไว้ล่วงหน้า การทอแบบละเอียด การพันเส้นใย และการทอโดยรวมหลายทิศทางสามมิติ ปัจจุบันกระบวนการทอผ้าหลักที่ใช้ในวัสดุคอมโพสิต C คือการทอแบบหลายทิศทางโดยรวมสามมิติ ในระหว่างกระบวนการทอผ้า เส้นใยทอทั้งหมดจะถูกจัดเรียงในทิศทางที่กำหนด เส้นใยแต่ละเส้นจะถูกชดเชยที่มุมหนึ่งตามทิศทางของมันเอง และถักทอเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นผ้า ลักษณะเฉพาะคือสามารถสร้างผ้าโดยรวมแบบหลายทิศทางสามมิติ ซึ่งสามารถควบคุมปริมาณปริมาณของเส้นใยในแต่ละทิศทางของวัสดุคอมโพสิต C/C ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้วัสดุคอมโพสิต C/C สามารถใช้คุณสมบัติทางกลที่เหมาะสมได้ ในทุกทิศทุกทาง

3) กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของ C/C

ระดับและประสิทธิภาพของการทำให้หนาแน่นขึ้นส่วนใหญ่จะได้รับผลกระทบจากโครงสร้างผ้าและพารามิเตอร์กระบวนการของวัสดุฐาน วิธีกระบวนการที่ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ การชุบคาร์บอไนเซชัน การสะสมไอสารเคมี (CVD) การแทรกซึมไอสารเคมี (CVI) การสะสมของเหลวเคมี ไพโรไลซิส และวิธีการอื่นๆ วิธีกระบวนการมีสองประเภทหลัก: กระบวนการทำให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และกระบวนการแทรกซึมไอสารเคมี

การทำให้มีสถานะของเหลว-คาร์บอไนเซชัน

วิธีการทำให้มีสถานะของเหลวนั้นค่อนข้างง่ายในอุปกรณ์และมีการนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวาง ดังนั้นวิธีการทำให้มีสถานะเป็นของเหลวจึงเป็นวิธีการที่สำคัญในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต C/C เป็นการแช่พรีฟอร์มที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ลงในสารเคลือบของเหลว และทำให้สารเคลือบเจาะเข้าไปในช่องว่างของพรีฟอร์มได้อย่างเต็มที่ด้วยแรงดัน จากนั้นจึงผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การบ่ม คาร์บอไนเซชัน และกราฟิไนเซชัน ในที่สุดก็ได้รับวัสดุคอมโพสิต C/C- ข้อเสียคือต้องใช้รอบการทำให้ชุ่มและการทำให้เป็นคาร์บอนซ้ำๆ เพื่อให้ได้ตามข้อกำหนดด้านความหนาแน่น องค์ประกอบและโครงสร้างของสารเคลือบในวิธีการทำให้มีสถานะของเหลวมีความสำคัญมาก ไม่เพียงส่งผลต่อประสิทธิภาพในการทำให้หนาแน่นขึ้นเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลและทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ด้วย การปรับปรุงผลผลิตคาร์บอไนเซชันของสารเคลือบและการลดความหนืดของสารเคลือบถือเป็นประเด็นสำคัญประการหนึ่งที่ต้องแก้ไขมาโดยตลอดในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต C/C โดยวิธีการทำให้อิ่มตัวด้วยเฟสของเหลว ความหนืดสูงและผลผลิตคาร์บอนต่ำของสารเคลือบเป็นหนึ่งในสาเหตุสำคัญที่ทำให้วัสดุคอมโพสิต C/C มีต้นทุนสูง การปรับปรุงประสิทธิภาพของสารเคลือบไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของวัสดุคอมโพสิต C/C และลดต้นทุน แต่ยังปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุคอมโพสิต C/C อีกด้วย การบำบัดต่อต้านอนุมูลอิสระของวัสดุคอมโพสิต C/C คาร์บอนไฟเบอร์เริ่มออกซิไดซ์ที่ 360°C ในอากาศ เส้นใยกราไฟท์ดีกว่าคาร์บอนไฟเบอร์เล็กน้อย และอุณหภูมิออกซิเดชันเริ่มออกซิไดซ์ที่ 420°C อุณหภูมิออกซิเดชันของวัสดุคอมโพสิต C/C อยู่ที่ประมาณ 450°C วัสดุคอมโพสิต C/C สามารถออกซิไดซ์ได้ง่ายมากในบรรยากาศออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และอัตราออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากไม่มีมาตรการป้องกันการเกิดออกซิเดชัน การใช้วัสดุคอมโพสิต C/C ในระยะยาวในสภาพแวดล้อมออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดผลที่ตามมาอย่างหายนะอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นการบำบัดต่อต้านอนุมูลอิสระของวัสดุคอมโพสิต C/C จึงกลายเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการเตรียมการ จากมุมมองของเทคโนโลยีป้องกันการเกิดออกซิเดชัน มันสามารถแบ่งออกเป็นเทคโนโลยีป้องกันการเกิดออกซิเดชันภายในและเทคโนโลยีการเคลือบป้องกันการเกิดออกซิเดชัน

เฟสไอเคมี

การสะสมไอสารเคมี (CVD หรือ CVI) คือการสะสมคาร์บอนโดยตรงในรูพรุนของช่องว่างเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเติมรูพรุนและเพิ่มความหนาแน่น คาร์บอนที่สะสมอยู่นั้นง่ายต่อการสร้างกราไฟท์ และมีความเข้ากันได้ทางกายภาพที่ดีกับไฟเบอร์ มันจะไม่หดตัวระหว่างการเกิดคาร์บอนซ้ำเหมือนวิธีการทำให้มีขึ้น และคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของวิธีนี้จะดีกว่า อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการ CVD หากคาร์บอนสะสมอยู่บนพื้นผิวของช่องว่าง จะป้องกันไม่ให้ก๊าซแพร่กระจายเข้าสู่รูพรุนภายใน คาร์บอนที่สะสมอยู่บนพื้นผิวควรถูกกำจัดออกโดยกลไก จากนั้นจึงควรดำเนินการสะสมรอบใหม่ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนา วิธี CVD ก็มีปัญหาเช่นกัน และวงจรของวิธีนี้ก็ยาวนานเช่นกัน