Διαδικασία παρασκευής σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα

Επισκόπηση Σύνθετων Υλικών Άνθρακα-Άνθρακα

Σύνθετο υλικό άνθρακα/άνθρακα (C/C)είναι ένα σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα με μια σειρά από εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή αντοχή και μέτρο ελαστικότητας, ειδικό βάρος φωτός, μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή σε θερμικό σοκ, καλή αντοχή στην τριβή και καλή χημική σταθερότητα. Είναι ένας νέος τύπος σύνθετου υλικού εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας.

Σύνθετο υλικό C/Cείναι ένα εξαιρετικό θερμοδομικά-λειτουργικό ολοκληρωμένο μηχανολογικό υλικό. Όπως και άλλα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης, είναι μια σύνθετη δομή που αποτελείται από μια φάση ενισχυμένη με ίνες και μια βασική φάση. Η διαφορά είναι ότι τόσο η ενισχυμένη φάση όσο και η βασική φάση αποτελούνται από καθαρό άνθρακα με ειδικές ιδιότητες.

Σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακακατασκευάζονται κυρίως από τσόχα άνθρακα, ύφασμα άνθρακα, ίνες άνθρακα ως ενίσχυση και άνθρακα που εναποτίθεται με ατμούς ως μήτρα, αλλά έχουν μόνο ένα στοιχείο, τον άνθρακα. Προκειμένου να αυξηθεί η πυκνότητα, ο άνθρακας που παράγεται από την ενανθράκωση εμποτίζεται με άνθρακα ή εμποτίζεται με ρητίνη (ή άσφαλτο), δηλαδή, τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα κατασκευάζονται από τρία υλικά άνθρακα.

Διαδικασία κατασκευής σύνθετων υλικών άνθρακα-άνθρακα

1) Επιλογή από ανθρακονήματα

Η επιλογή των δεσμίδων από ανθρακονήματα και ο δομικός σχεδιασμός των υφασμάτων από ίνες αποτελούν τη βάση για την κατασκευήΣύνθετο C/CΟι μηχανικές και οι θερμοφυσικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών C/C μπορούν να προσδιοριστούν με την ορθολογική επιλογή τύπων ινών και παραμέτρων ύφανσης υφάσματος, όπως ο προσανατολισμός της διάταξης των δεσμίδων νημάτων, η απόσταση μεταξύ των δεσμίδων νημάτων, η περιεκτικότητα σε όγκο των δεσμίδων νημάτων κ.λπ.

2) Προετοιμασία προπλάσματος από ανθρακονήματα

Το προπλάσμα από ίνες άνθρακα αναφέρεται σε ένα κενό που διαμορφώνεται στο απαιτούμενο δομικό σχήμα της ίνας σύμφωνα με το σχήμα του προϊόντος και τις απαιτήσεις απόδοσης, προκειμένου να πραγματοποιηθεί η διαδικασία συμπύκνωσης. Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι επεξεργασίας για τα προδιαμορφωμένα δομικά μέρη: μαλακή ύφανση, σκληρή ύφανση και μαλακή και σκληρή μικτή ύφανση. Οι κύριες διαδικασίες ύφανσης είναι: ύφανση με ξηρό νήμα, διάταξη ομάδας προεμποτισμένων ράβδων, διάτρηση λεπτής ύφανσης, περιέλιξη ινών και τρισδιάστατη πολυκατευθυντική συνολική ύφανση. Προς το παρόν, η κύρια διαδικασία ύφανσης που χρησιμοποιείται στα σύνθετα υλικά C είναι η τρισδιάστατη συνολική πολυκατευθυντική ύφανση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ύφανσης, όλες οι υφασμένες ίνες είναι διατεταγμένες σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Κάθε ίνα είναι μετατοπισμένη σε μια συγκεκριμένη γωνία κατά μήκος της δικής της κατεύθυνσης και συνυφαίνεται μεταξύ τους για να σχηματίσει ένα ύφασμα. Χαρακτηριστικό του είναι ότι μπορεί να σχηματίσει ένα τρισδιάστατο πολυκατευθυντικό συνολικό ύφασμα, το οποίο μπορεί να ελέγχει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε όγκο των ινών σε κάθε κατεύθυνση του σύνθετου υλικού C/C, έτσι ώστε το σύνθετο υλικό C/C να μπορεί να ασκεί λογικές μηχανικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις.

3) Διαδικασία πύκνωσης C/C

Ο βαθμός και η αποτελεσματικότητα της συμπύκνωσης επηρεάζονται κυρίως από τη δομή του υφάσματος και τις παραμέτρους της διεργασίας του βασικού υλικού. Οι μέθοδοι διεργασίας που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν την ενανθράκωση με εμποτισμό, την χημική εναπόθεση ατμών (CVD), τη χημική διήθηση ατμών (CVI), την χημική εναπόθεση υγρών, την πυρόλυση και άλλες μεθόδους. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι μεθόδων διεργασίας: η διεργασία ενανθράκωσης με εμποτισμό και η διεργασία χημικής διήθησης ατμών.

Εμποτισμός-ανθράκωση υγρής φάσης

Η μέθοδος εμποτισμού υγρής φάσης είναι σχετικά απλή στον εξοπλισμό και έχει ευρεία εφαρμογή, επομένως η μέθοδος εμποτισμού υγρής φάσης είναι μια σημαντική μέθοδος για την παρασκευή σύνθετων υλικών C/C. Πρόκειται για την εμβάπτιση του προπλάσματος από ίνες άνθρακα στο υγρό εμποτιστικό και την πλήρη διείσδυση του εμποτιστικού στα κενά του προπλάσματος μέσω συμπίεσης και, στη συνέχεια, μέσω μιας σειράς διεργασιών όπως η σκλήρυνση, η ενανθράκωση και η γραφιτοποίηση, επιτυγχάνεται τελικά...Σύνθετα υλικά C/CΤο μειονέκτημά του είναι ότι απαιτούνται επαναλαμβανόμενοι κύκλοι εμποτισμού και ενανθράκωσης για την επίτευξη των απαιτούμενων πυκνοτήτων. Η σύνθεση και η δομή του εμποτιστικού στη μέθοδο εμποτισμού υγρής φάσης είναι πολύ σημαντικές. Δεν επηρεάζει μόνο την απόδοση συμπύκνωσης, αλλά επηρεάζει και τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του προϊόντος. Η βελτίωση της απόδοσης ενανθράκωσης του εμποτιστικού και η μείωση του ιξώδους του εμποτιστικού ήταν πάντα ένα από τα βασικά ζητήματα που έπρεπε να επιλυθούν στην παρασκευή σύνθετων υλικών C/C με τη μέθοδο εμποτισμού υγρής φάσης. Το υψηλό ιξώδες και η χαμηλή απόδοση ενανθράκωσης του εμποτιστικού είναι ένας από τους σημαντικούς λόγους για το υψηλό κόστος των σύνθετων υλικών C/C. Η βελτίωση της απόδοσης του εμποτιστικού μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την απόδοση παραγωγής των σύνθετων υλικών C/C και να μειώσει το κόστος τους, αλλά και να βελτιώσει τις διάφορες ιδιότητες των σύνθετων υλικών C/C. Αντιοξειδωτική επεξεργασία σύνθετων υλικών C/C. Οι ίνες άνθρακα αρχίζουν να οξειδώνονται στους 360°C στον αέρα. Οι ίνες γραφίτη είναι ελαφρώς καλύτερες από τις ίνες άνθρακα και η θερμοκρασία οξείδωσής τους αρχίζει να οξειδώνεται στους 420°C. Η θερμοκρασία οξείδωσης των σύνθετων υλικών C/C είναι περίπου 450°C. Τα σύνθετα υλικά C/C οξειδώνονται πολύ εύκολα σε οξειδωτική ατμόσφαιρα υψηλής θερμοκρασίας και ο ρυθμός οξείδωσης αυξάνεται ραγδαία με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εάν δεν υπάρχουν αντιοξειδωτικά μέτρα, η μακροχρόνια χρήση σύνθετων υλικών C/C σε οξειδωτικό περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας θα προκαλέσει αναπόφευκτα καταστροφικές συνέπειες. Επομένως, η αντιοξειδωτική επεξεργασία των σύνθετων υλικών C/C έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας παρασκευής τους. Από την άποψη της τεχνολογίας αντιοξείδωσης, μπορεί να χωριστεί σε εσωτερική τεχνολογία αντιοξείδωσης και τεχνολογία αντιοξειδωτικής επίστρωσης.

Χημική Φάση Ατμού

Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD ή CVI) είναι η εναπόθεση άνθρακα απευθείας στους πόρους του ακατέργαστου τεμαχίου για να επιτευχθεί ο σκοπός της πλήρωσης των πόρων και της αύξησης της πυκνότητας. Ο εναποτιθέμενος άνθρακας είναι εύκολο να γραφιτοποιηθεί και έχει καλή φυσική συμβατότητα με την ίνα. Δεν θα συρρικνωθεί κατά την επαναανθράκωση όπως η μέθοδος εμποτισμού και οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες αυτής της μεθόδου είναι καλύτερες. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας CVD, εάν εναποτεθεί άνθρακας στην επιφάνεια του ακατέργαστου τεμαχίου, θα εμποδίσει τη διάχυση του αερίου στους εσωτερικούς πόρους. Ο άνθρακας που εναποτίθεται στην επιφάνεια πρέπει να αφαιρεθεί μηχανικά και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί ένας νέος γύρος εναπόθεσης. Για τα παχιά προϊόντα, η μέθοδος CVD παρουσιάζει επίσης ορισμένες δυσκολίες και ο κύκλος αυτής της μεθόδου είναι επίσης πολύ μεγάλος.