Процес на приготвяне на композитни материали от въглеродни влакна

Преглед на въглерод-въглеродните композитни материали

Композитен материал въглерод/въглерод (C/C)е композитен материал, подсилен с въглеродни влакна, с редица отлични свойства, като висока якост и модул, леко специфично тегло, малък коефициент на термично разширение, устойчивост на корозия, устойчивост на термичен удар, добра устойчивост на триене и добра химическа стабилност. Това е нов вид композитен материал за ултрависоки температури.

C/C композитен материале отличен термично-структурно-функционален инженерен материал. Подобно на други високоефективни композитни материали, той представлява композитна структура, съставена от фаза, подсилена с влакна, и основна фаза. Разликата е, че както подсилената, така и основната фаза са съставени от чист въглерод със специални свойства.

Въглерод/въглеродни композитни материалиИзработени са главно от въглероден филц, въглеродна тъкан, въглеродни влакна като армировка и въглерод, отложен чрез пара, като матрица, но имат само един елемент, който е въглерод. За да се увеличи плътността, въглеродът, генериран чрез карбонизация, се импрегнира с въглерод или се импрегнира със смола (или асфалт), т.е. въглерод/въглеродните композитни материали са изработени от три въглеродни материала.

Процес на производство на въглерод-въглеродни композитни материали

1) Избор на въглеродни влакна

Изборът на снопове от въглеродни влакна и структурният дизайн на влакнестите тъкани са основата за производствотоC/C композитМеханичните свойства и термофизичните свойства на C/C композитите могат да бъдат определени чрез рационален подбор на видовете влакна и параметрите на тъкане, като например ориентация на разположението на сноповете прежда, разстояние между сноповете прежда, обемно съдържание на сноповете прежда и др.

2) Приготвяне на заготовка от въглеродни влакна

Заготовката от въглеродни влакна се отнася до заготовка, която се оформя в необходимата структурна форма на влакното според изискванията за форма и характеристики на продукта, за да се осъществи процесът на уплътняване. Съществуват три основни метода за обработка на предварително оформени структурни части: меко тъкане, твърдо тъкане и смесено меко и твърдо тъкане. Основните процеси на тъкане са: тъкане със суха прежда, предварително импрегнирано групиране на пръти, фино тъкане с пробиване, навиване на влакна и триизмерно многопосочно цялостно тъкане. Понастоящем основният процес на тъкане, използван при C/C композитните материали, е триизмерното цялостно многопосочно тъкане. По време на процеса на тъкане всички тъкани влакна са подредени в определена посока. Всяко влакно е изместено под определен ъгъл по своята посока и се преплита едно с друго, за да образува тъкан. Характеризира се с това, че може да образува триизмерна многопосочна цялостна тъкан, която може ефективно да контролира обемното съдържание на влакната във всяка посока на C/C композитния материал, така че C/C композитният материал да може да проявява разумни механични свойства във всички посоки.

3) Процес на уплътняване C/C

Степента и ефективността на уплътняването се влияят главно от структурата на тъканта и параметрите на процеса на основния материал. Използваните понастоящем методи на процес включват импрегниране с карбонизация, химическо отлагане от пари (CVD), химическа инфилтрация от пари (CVI), химическо течно отлагане, пиролиза и други методи. Съществуват два основни вида методи на процес: процес на импрегниране с карбонизация и процес на химическа инфилтрация от пари.

Течнофазна импрегнация-карбонизация

Методът на течнофазно импрегниране е сравнително прост в оборудването и има широко приложение, така че методът на течнофазно импрегниране е важен метод за получаване на C/C композитни материали. Той се състои в потапяне на заготовката, изработена от въглеродни влакна, в течния импрегнант, чрез което импрегнантът прониква напълно в кухините на заготовката чрез налягане, а след това чрез серия от процеси като втвърдяване, карбонизация и графитизация накрая се получава...C/C композитни материалиНедостатъкът му е, че са необходими многократни цикли на импрегниране и карбонизация, за да се постигнат изискванията за плътност. Съставът и структурата на импрегнанта при метода на течнофазно импрегниране са много важни. Те влияят не само върху ефективността на уплътняване, но и върху механичните и физичните свойства на продукта. Подобряването на добива на карбонизация на импрегнанта и намаляването на вискозитета му винаги са били едни от ключовите проблеми, които трябва да бъдат решени при получаването на C/C композитни материали чрез метода на течнофазно импрегниране. Високият вискозитет и ниският добив на карбонизация на импрегнанта са едни от важните причини за високата цена на C/C композитните материали. Подобряването на производителността на импрегнанта може не само да подобри ефективността на производството на C/C композитни материали и да намали тяхната цена, но и да подобри различните свойства на C/C композитните материали. Антиокислителна обработка на C/C композитни материали Въглеродните влакна започват да се окисляват при 360°C във въздуха. Графитните влакна са малко по-добри от въглеродните влакна и температурата им на окисление започва да се окислява при 420°C. Температурата на окисление на C/C композитните материали е около 450°C. C/C композитните материали се окисляват много лесно във високотемпературна окислителна атмосфера и скоростта на окисление се увеличава бързо с повишаване на температурата. Ако няма мерки против окисление, дългосрочната употреба на C/C композитни материали във високотемпературна окислителна среда неизбежно ще доведе до катастрофални последици. Следователно, антиокислителната обработка на C/C композитните материали се е превърнала в неразделна част от процеса на тяхното производство. От гледна точка на антиокислителната технология, тя може да бъде разделена на вътрешна антиокислителна технология и технология за антиокислително покритие.

Химична парна фаза

Химичното отлагане от пари (CVD или CVI) представлява директно отлагане на въглерод в порите на заготовката, за да се постигне запълване на порите и увеличаване на плътността. Отложеният въглерод се графитизира лесно и има добра физическа съвместимост с влакната. Той не се свива по време на повторно карбонизиране, както при метода на импрегниране, а физичните и механичните свойства на този метод са по-добри. Въпреки това, по време на CVD процеса, ако въглеродът се отложи върху повърхността на заготовката, това ще предотврати дифузията на газа във вътрешните пори. Отложеният върху повърхността въглерод трябва да се отстрани механично и след това да се извърши нов цикъл на отлагане. За дебели продукти CVD методът също има определени трудности и цикълът на този метод е много дълъг.