Proces přípravy kompozitních materiálů z uhlíkových vláken

Přehled kompozitních materiálů uhlík-uhlík

Kompozitní materiál uhlík/uhlík (C/C)je kompozitní materiál vyztužený uhlíkovými vlákny s řadou vynikajících vlastností, jako je vysoká pevnost a modul pružnosti, nízká měrná hmotnost, malý koeficient tepelné roztažnosti, odolnost proti korozi, odolnost proti tepelným šokům, dobrá odolnost proti tření a dobrá chemická stabilita. Jedná se o nový typ kompozitního materiálu pro ultra vysoké teploty.

kompozitní materiál C/Cje vynikající tepelně-strukturně-funkční integrovaný inženýrský materiál. Stejně jako jiné vysoce výkonné kompozitní materiály se jedná o kompozitní strukturu složenou z fáze vyztužené vlákny a základní fáze. Rozdíl spočívá v tom, že jak vyztužená, tak základní fáze se skládají z čistého uhlíku se speciálními vlastnostmi.

Kompozitní materiály uhlík/uhlíkJsou vyrobeny převážně z uhlíkové plsti, uhlíkové tkaniny, uhlíkových vláken jako výztuže a napařovaného uhlíku jako matrice, ale mají pouze jeden prvek, kterým je uhlík. Pro zvýšení hustoty je uhlík generovaný karbonizací impregnován uhlíkem nebo pryskyřicí (nebo asfaltem), tj. kompozitní materiály uhlík/uhlík jsou vyrobeny ze tří uhlíkových materiálů.

Výrobní proces kompozitních materiálů uhlík-uhlík

1) Volba uhlíkových vláken

Výběr svazků uhlíkových vláken a strukturální návrh vláknitých tkanin jsou základem pro výrobukompozitní materiál C/CMechanické a termofyzikální vlastnosti kompozitů C/C lze určit racionálním výběrem typů vláken a parametrů tkaní tkaniny, jako je orientace uspořádání svazků přízí, rozteč svazků přízí, objemový obsah svazků přízí atd.

2) Příprava předlisku z uhlíkových vláken

Předlisek z uhlíkových vláken označuje polotovar, který je tvarován do požadovaného strukturálního tvaru vlákna podle požadavků na tvar a výkon výrobku za účelem provedení procesu zhutňování. Existují tři hlavní metody zpracování předlisovaných strukturálních dílů: měkké tkaní, tvrdé tkaní a smíšené měkké a tvrdé tkaní. Hlavní tkalcovské procesy jsou: tkaní suchou přízí, uspořádání předimpregnovaných skupin tyčí, jemné tkaní s propíchnutím, navíjení vláken a trojrozměrné vícesměrné celkové tkaní. V současné době je hlavním tkalcovským procesem používaným u uhlíkových kompozitních materiálů trojrozměrné celkové vícesměrné tkaní. Během tkalcovského procesu jsou všechna tkaná vlákna uspořádána v určitém směru. Každé vlákno je posunuto v určitém úhlu podél svého vlastního směru a vzájemně propleteno za vzniku tkaniny. Jeho charakteristikou je, že může tvořit trojrozměrnou vícesměrnou celkovou tkaninu, která dokáže účinně řídit objemový obsah vláken v každém směru uhlíkového kompozitního materiálu, takže uhlíkový kompozitní materiál může vykazovat přiměřené mechanické vlastnosti ve všech směrech.

3) Proces zhutňování C/C

Stupeň a účinnost zhušťování jsou ovlivněny především strukturou tkaniny a procesními parametry základního materiálu. Mezi v současnosti používané procesní metody patří impregnační karbonizace, chemická depozice z plynné fáze (CVD), chemická infiltrace z plynné fáze (CVI), chemická depozice z kapaliny, pyrolýza a další metody. Existují dva hlavní typy procesních metod: proces impregnační karbonizace a proces chemické infiltrace z plynné fáze.

Impregnace-karbonizace v kapalné fázi

Metoda impregnace v kapalné fázi je relativně jednoduchá na vybavení a má široké využití, takže metoda impregnace v kapalné fázi je důležitou metodou pro přípravu kompozitních materiálů C/C. Spočívá v ponoření předlisku vyrobeného z uhlíkových vláken do kapalného impregnačního prostředku, jeho úplném proniknutí do dutin předlisku tlakem a následném podrobení řadou procesů, jako je vytvrzování, karbonizace a grafitizace, až se nakonec dosáhne požadovaného výsledku.Kompozitní materiály C/CJeho nevýhodou je, že k dosažení požadované hustoty je zapotřebí opakovaných cyklů impregnace a karbonizace. Složení a struktura impregnačního prostředku v metodě impregnace v kapalné fázi jsou velmi důležité. Ovlivňují nejen účinnost zhutňování, ale také mechanické a fyzikální vlastnosti produktu. Zlepšení výtěžku karbonizace impregnačního prostředku a snížení viskozity impregnačního prostředku byly vždy jedním z klíčových problémů, které je třeba řešit při přípravě kompozitních materiálů C/C metodou impregnace v kapalné fázi. Vysoká viskozita a nízký výtěžek karbonizace impregnačního prostředku jsou jedním z důležitých důvodů vysokých nákladů na kompozitní materiály C/C. Zlepšení výkonu impregnačního prostředku může nejen zlepšit efektivitu výroby kompozitních materiálů C/C a snížit jejich náklady, ale také zlepšit různé vlastnosti kompozitních materiálů C/C. Antioxidační úprava kompozitních materiálů C/C Uhlíková vlákna začínají oxidovat při 360 °C na vzduchu. Grafitová vlákna jsou o něco lepší než uhlíková vlákna a jejich oxidační teplota začíná oxidovat při 420 °C. Oxidační teplota kompozitních materiálů C/C je přibližně 450 °C. Kompozitní materiály C/C se velmi snadno oxidují ve vysokoteplotní oxidační atmosféře a rychlost oxidace se s rostoucí teplotou prudce zvyšuje. Pokud neexistují antioxidační opatření, dlouhodobé používání kompozitních materiálů C/C ve vysokoteplotním oxidačním prostředí nevyhnutelně způsobí katastrofické následky. Proto se antioxidační úprava kompozitních materiálů C/C stala nepostradatelnou součástí jejich výrobního procesu. Z hlediska antioxidační technologie ji lze rozdělit na technologii vnitřní antioxidace a technologii antioxidačního povlakování.

Chemická plynná fáze

Chemické nanášení z plynné fáze (CVD nebo CVI) spočívá v přímém nanášení uhlíku do pórů polotovaru za účelem jejich vyplnění a zvýšení hustoty. Nanesený uhlík se snadno grafitizuje a má dobrou fyzikální kompatibilitu s vláknem. Během rekarbonizace se nesmršťuje jako impregnační metoda a fyzikální a mechanické vlastnosti této metody jsou lepší. Pokud se však během procesu CVD nanese uhlík na povrch polotovaru, zabrání se difuzi plynu do vnitřních pórů. Uhlík nanesený na povrchu by měl být mechanicky odstraněn a poté by se mělo provést nové kolo nanášení. U silných výrobků má metoda CVD také určité obtíže a cyklus této metody je také velmi dlouhý.