Proceso de preparación de materiales compuestos de fibra de carbono

Descripción general de los materiales compuestos de carbono-carbono

Material compuesto de carbono/carbono (C/C)Es un material compuesto reforzado con fibra de carbono que posee excelentes propiedades, como alta resistencia y módulo de elasticidad, baja densidad, bajo coeficiente de dilatación térmica, resistencia a la corrosión y al choque térmico, buena resistencia a la fricción y buena estabilidad química. Se trata de un nuevo tipo de material compuesto para temperaturas ultraaltas.

material compuesto C/CEs un excelente material de ingeniería con propiedades térmicas integradas y funcionales. Al igual que otros materiales compuestos de alto rendimiento, su estructura se compone de una fase reforzada con fibras y una fase base. La diferencia radica en que tanto la fase reforzada como la fase base están compuestas de carbono puro con propiedades especiales.

materiales compuestos de carbono/carbonoEstán compuestos principalmente de fieltro de carbono, tela de carbono y fibra de carbono como refuerzo, y carbono depositado por vapor como matriz, pero solo contienen un elemento: el carbono. Para aumentar la densidad, el carbono generado por carbonización se impregna con carbono o con resina (o asfalto); es decir, los materiales compuestos de carbono/carbono están formados por tres materiales de carbono.

Proceso de fabricación de materiales compuestos de carbono-carbono

1) Elección de la fibra de carbono

La selección de haces de fibra de carbono y el diseño estructural de los tejidos de fibra son la base para la fabricación.compuesto C/CLas propiedades mecánicas y termofísicas de los compuestos C/C se pueden determinar seleccionando racionalmente los tipos de fibra y los parámetros de tejido, como la orientación de la disposición de los haces de hilo, el espaciado entre los haces de hilo, el contenido volumétrico de los haces de hilo, etc.

2) Preparación de la preforma de fibra de carbono

La preforma de fibra de carbono se refiere a una pieza en bruto que se moldea con la forma estructural requerida de la fibra según la forma del producto y los requisitos de rendimiento para llevar a cabo el proceso de densificación. Existen tres métodos principales de procesamiento para piezas estructurales preformadas: tejido blando, tejido duro y tejido mixto blando y duro. Los principales procesos de tejido son: tejido de hilo seco, disposición de grupos de varillas preimpregnadas, punzonado de tejido fino, bobinado de fibra y tejido general multidireccional tridimensional. Actualmente, el principal proceso de tejido utilizado en materiales compuestos de carbono es el tejido general multidireccional tridimensional. Durante el proceso de tejido, todas las fibras tejidas se disponen en una dirección determinada. Cada fibra se desplaza en un cierto ángulo a lo largo de su propia dirección y se entrelaza con las demás para formar un tejido. Su característica es que puede formar un tejido general multidireccional tridimensional, que puede controlar eficazmente el contenido volumétrico de fibras en cada dirección del material compuesto de carbono/carbono, de modo que el material compuesto de carbono/carbono pueda presentar propiedades mecánicas adecuadas en todas las direcciones.

3) Proceso de densificación C/C

El grado y la eficiencia de la densificación dependen principalmente de la estructura del tejido y de los parámetros del proceso del material base. Los métodos de procesamiento que se utilizan actualmente incluyen la carbonización por impregnación, la deposición química de vapor (CVD), la infiltración química de vapor (CVI), la deposición química de líquidos, la pirólisis y otros. Existen dos tipos principales de métodos de procesamiento: la carbonización por impregnación y la infiltración química de vapor.

Impregnación-carbonización en fase líquida

El método de impregnación en fase líquida es relativamente sencillo en cuanto a equipos y tiene una amplia aplicabilidad, por lo que es un método importante para preparar materiales compuestos C/C. Consiste en sumergir la preforma hecha de fibra de carbono en el impregnante líquido y hacer que el impregnante penetre completamente en los huecos de la preforma mediante presurización, y luego a través de una serie de procesos como curado, carbonización y grafitización, finalmente se obtieneMateriales compuestos C/CSu desventaja es que requiere ciclos repetidos de impregnación y carbonización para lograr los requisitos de densidad. La composición y estructura del impregnante en el método de impregnación en fase líquida son muy importantes. No solo afecta la eficiencia de densificación, sino también las propiedades mecánicas y físicas del producto. Mejorar el rendimiento de carbonización del impregnante y reducir la viscosidad del impregnante siempre ha sido uno de los problemas clave a resolver en la preparación de materiales compuestos C/C mediante el método de impregnación en fase líquida. La alta viscosidad y el bajo rendimiento de carbonización del impregnante son una de las razones importantes del alto costo de los materiales compuestos C/C. Mejorar el rendimiento del impregnante no solo puede mejorar la eficiencia de producción de los materiales compuestos C/C y reducir su costo, sino también mejorar las diversas propiedades de los materiales compuestos C/C. Tratamiento antioxidante de materiales compuestos C/C La fibra de carbono comienza a oxidarse a 360 °C en el aire. La fibra de grafito es ligeramente mejor que la fibra de carbono, y su temperatura de oxidación comienza a oxidarse a 420 °C. La temperatura de oxidación de los materiales compuestos de carbono/carbono (C/C) es de aproximadamente 450 °C. Estos materiales se oxidan con facilidad en atmósferas oxidantes de alta temperatura, y la velocidad de oxidación aumenta rápidamente con el incremento de la temperatura. Sin medidas antioxidantes, el uso prolongado de materiales compuestos de C/C en un entorno oxidante de alta temperatura inevitablemente tendrá consecuencias catastróficas. Por lo tanto, el tratamiento antioxidante de los materiales compuestos de C/C se ha convertido en una parte indispensable de su proceso de preparación. Desde la perspectiva de la tecnología antioxidante, esta se puede dividir en tecnología antioxidante interna y tecnología de recubrimiento antioxidante.

Fase de vapor químico

La deposición química en fase vapor (CVD o CVI) consiste en depositar carbono directamente en los poros del material base para rellenarlos y aumentar su densidad. El carbono depositado se grafitiza fácilmente y presenta una buena compatibilidad física con la fibra. No se contrae durante la recarbonización, a diferencia del método de impregnación, y sus propiedades físicas y mecánicas son superiores. Sin embargo, durante el proceso de CVD, si el carbono se deposita en la superficie del material base, impedirá la difusión del gas hacia los poros internos. El carbono superficial debe eliminarse mecánicamente y, posteriormente, se debe realizar una nueva deposición. Para productos gruesos, el método CVD también presenta ciertas dificultades, y el ciclo es muy prolongado.