Procés de preparació de materials compostos de fibra de carboni

Visió general dels materials compostos de carboni-carboni

Material compost de carboni/carboni (C/C)és un material compost reforçat amb fibra de carboni amb una sèrie d'excel·lents propietats com ara alta resistència i mòdul, lleugera gravetat específica, baix coeficient d'expansió tèrmica, resistència a la corrosió, resistència al xoc tèrmic, bona resistència a la fricció i bona estabilitat química. És un nou tipus de material compost per a temperatures ultra altes.

Material compost C/Cés un excel·lent material d'enginyeria integrat amb estructura tèrmica i funcionalitat. Com altres materials compostos d'alt rendiment, és una estructura composta composta per una fase reforçada amb fibra i una fase bàsica. La diferència és que tant la fase reforçada com la fase bàsica estan compostes de carboni pur amb propietats especials.

Materials compostos de carboni/carboniestan fets principalment de feltre de carboni, tela de carboni, fibra de carboni com a reforç i carboni dipositat en vapor com a matriu, però només tenen un element, que és el carboni. Per augmentar la densitat, el carboni generat per la carbonització s'impregna amb carboni o s'impregna amb resina (o asfalt), és a dir, els materials compostos de carboni/carboni estan fets de tres materials de carboni.

Procés de fabricació de materials compostos de carboni-carboni

1) Elecció de fibra de carboni

La selecció de feixos de fibra de carboni i el disseny estructural dels teixits de fibra són la base de la fabricacióCompost C/CLes propietats mecàniques i termofísiques dels compostos C/C es poden determinar seleccionant racionalment els tipus de fibres i els paràmetres de teixit, com ara l'orientació de la disposició dels feixos de fil, l'espaiat dels feixos de fil, el contingut de volum dels feixos de fil, etc.

2) Preparació de la preforma de fibra de carboni

La preforma de fibra de carboni es refereix a una peça en blanc que es forma amb la forma estructural requerida de la fibra segons la forma del producte i els requisits de rendiment per tal de dur a terme el procés de densificació. Hi ha tres mètodes principals de processament per a les peces estructurals preformades: teixit suau, teixit dur i teixit mixt suau i dur. Els principals processos de teixit són: teixit de fil sec, disposició de grups de varetes preimpregnades, punció de teixit fi, bobinatge de fibres i teixit global multidireccional tridimensional. Actualment, el principal procés de teixit utilitzat en materials compostos C és el teixit multidireccional tridimensional. Durant el procés de teixit, totes les fibres teixides es disposen en una direcció determinada. Cada fibra es desplaça en un angle determinat al llarg de la seva pròpia direcció i s'entreteixeix entre si per formar un teixit. La seva característica és que pot formar un teixit global multidireccional tridimensional, que pot controlar eficaçment el contingut de volum de fibres en cada direcció del material compost C/C, de manera que el material compost C/C pot exercir propietats mecàniques raonables en totes les direccions.

3) Procés de densificació C/C

El grau i l'eficiència de la densificació es veuen afectats principalment per l'estructura del teixit i els paràmetres del procés del material base. Els mètodes de procés que s'utilitzen actualment inclouen la carbonització per impregnació, la deposició química de vapor (CVD), la infiltració química de vapor (CVI), la deposició química de líquids, la piròlisi i altres mètodes. Hi ha dos tipus principals de mètodes de procés: el procés de carbonització per impregnació i el procés d'infiltració química de vapor.

Impregnació-carbonització en fase líquida

El mètode d'impregnació en fase líquida és relativament senzill en equipament i té una àmplia aplicabilitat, per la qual cosa el mètode d'impregnació en fase líquida és un mètode important per a la preparació de materials compostos C/C. Es tracta d'immergir la preforma feta de fibra de carboni en l'impregnant líquid i fer que l'impregnant penetri completament en els buits de la preforma mitjançant la pressurització i, a continuació, mitjançant una sèrie de processos com el curat, la carbonització i la grafitització, finalment s'obté.Materials compostos C/CEl seu desavantatge és que calen cicles repetits d'impregnació i carbonització per assolir els requisits de densitat. La composició i l'estructura de l'impregnant en el mètode d'impregnació en fase líquida són molt importants. No només afecta l'eficiència de densificació, sinó que també afecta les propietats mecàniques i físiques del producte. Millorar el rendiment de carbonització de l'impregnant i reduir la viscositat de l'impregnant sempre han estat un dels problemes clau a resoldre en la preparació de materials compostos C/C mitjançant el mètode d'impregnació en fase líquida. L'alta viscositat i el baix rendiment de carbonització de l'impregnant són una de les raons importants de l'alt cost dels materials compostos C/C. Millorar el rendiment de l'impregnant no només pot millorar l'eficiència de producció dels materials compostos C/C i reduir el seu cost, sinó que també pot millorar les diverses propietats dels materials compostos C/C. Tractament antioxidant de materials compostos C/C La fibra de carboni comença a oxidar-se a 360 °C a l'aire. La fibra de grafit és lleugerament millor que la fibra de carboni i la seva temperatura d'oxidació comença a oxidar-se a 420 °C. La temperatura d'oxidació dels materials compostos C/C és d'uns 450 °C. Els materials compostos C/C són molt fàcils d'oxidar en una atmosfera oxidativa d'alta temperatura i la velocitat d'oxidació augmenta ràpidament amb l'augment de la temperatura. Si no hi ha mesures antioxidants, l'ús a llarg termini de materials compostos C/C en un entorn oxidatiu d'alta temperatura inevitablement causarà conseqüències catastròfiques. Per tant, el tractament antioxidant dels materials compostos C/C s'ha convertit en una part indispensable del seu procés de preparació. Des de la perspectiva de la tecnologia antioxidant, es pot dividir en tecnologia antioxidant interna i tecnologia de recobriment antioxidant.

Fase de vapor químic

La deposició química de vapor (CVD o CVI) consisteix a dipositar carboni directament als porus de la peça en brut per aconseguir l'objectiu d'omplir els porus i augmentar la densitat. El carboni dipositat és fàcil de grafititzar i té una bona compatibilitat física amb la fibra. No es reduirà durant la recarbonització com el mètode d'impregnació, i les propietats físiques i mecàniques d'aquest mètode són millors. Tanmateix, durant el procés CVD, si es diposita carboni a la superfície de la peça en brut, s'evitarà que el gas es difongui als porus interns. El carboni dipositat a la superfície s'ha d'eliminar mecànicament i després s'ha de dur a terme una nova ronda de deposició. Per a productes gruixuts, el mètode CVD també té certes dificultats, i el cicle d'aquest mètode també és molt llarg.