Süsinikkiust komposiitmaterjalide ettevalmistusprotsess

Süsinik-süsinikkomposiitmaterjalide ülevaade

Süsinik/süsinik (C/C) komposiitmaterjalon süsinikkiuga tugevdatud komposiitmaterjal, millel on mitmeid suurepäraseid omadusi, nagu kõrge tugevus ja elastsusmoodul, väike erikaal, väike soojuspaisumistegur, korrosioonikindlus, termiline löögikindlus, hea hõõrdekindlus ja hea keemiline stabiilsus. See on uut tüüpi ülikõrge temperatuuriga komposiitmaterjal.

C/C komposiitmaterjalon suurepärane termiliselt struktuurilt funktsionaalne integreeritud insenerimaterjal. Nagu teisedki kõrgjõudlusega komposiitmaterjalid, on see komposiitstruktuur, mis koosneb kiudtugevdatud faasist ja põhifaasist. Erinevus seisneb selles, et nii tugevdatud faas kui ka põhifaas koosnevad spetsiaalsete omadustega puhtast süsinikust.

Süsinik/süsinik komposiitmaterjalidValmistatakse peamiselt süsinikvildist, süsinikkangast, süsinikkiust tugevdusena ja aurustamise teel sadestatud süsinikust maatriksina, kuid neil on ainult üks element, süsinik. Tiheduse suurendamiseks immutatakse karboniseerimisel tekkiv süsinik süsinikuga või immutatakse vaiguga (või asfaldiga), st süsinik/süsinikkomposiitmaterjalid on valmistatud kolmest süsinikmaterjalist.

Süsinik-süsinik komposiitmaterjalide tootmisprotsess

1) Süsinikkiu valik

Süsinikkiudkimpude valik ja kiudkangaste struktuurne disain on tootmise aluseks.C/C komposiitC/C-komposiitide mehaanilisi ja termofüüsikalisi omadusi saab määrata kiutüüpide ja kanga kudumisparameetrite, näiteks lõngakimpude paigutuse orientatsiooni, lõngakimpude vahekauguse, lõngakimpude mahusisalduse jne ratsionaalse valiku abil.

2) Süsinikkiust toorikute ettevalmistamine

Süsinikkiust toorik viitab toorikule, mis vormitakse kiudude nõutava struktuurikujuga vastavalt toote kujule ja jõudlusnõuetele tihendusprotsessi läbiviimiseks. Eelvormitud konstruktsiooniosade jaoks on kolm peamist töötlemismeetodit: pehme kudumine, kõva kudumine ja pehme-kõva segakudumine. Peamised kudumisprotsessid on: kuiva lõnga kudumine, eelnevalt immutatud varraste rühma paigutus, peenkudumine, kiudude mähkimine ja kolmemõõtmeline mitmesuunaline üldkudumine. Praegu on C-komposiitmaterjalides kasutatav peamine kudumisprotsess kolmemõõtmeline mitmesuunaline üldkudumine. Kudumisprotsessi käigus paigutatakse kõik kootud kiud teatud suunas. Iga kiud on oma suunas teatud nurga all nihutatud ja omavahel põimitud, moodustades kanga. Selle eripäraks on see, et see võib moodustada kolmemõõtmelise mitmesuunalise üldkanga, mis võimaldab tõhusalt kontrollida kiudude mahusisaldust C/C komposiitmaterjali igas suunas, nii et C/C komposiitmaterjal saab avaldada mõistlikke mehaanilisi omadusi igas suunas.

3) C/C tihendamise protsess

Tihendamise astet ja efektiivsust mõjutavad peamiselt kanga struktuur ja alusmaterjali protsessiparameetrid. Praegu kasutatavate protsessimeetodite hulka kuuluvad immutamine-karboniseerimine, keemiline aurustamine-sadestamine (CVD), keemiline aurustamine-infiltratsioon (CVI), keemiline vedeliksadestamine, pürolüüs ja muud meetodid. Protsessimeetodeid on kahte peamist tüüpi: immutamine-karboniseerimine ja keemiline aurustamine-infiltratsioon.

Vedelfaasi immutamine-karboniseerimine

Vedelfaasilise immutamise meetod on seadmete poolest suhteliselt lihtne ja laialdaselt kasutatav, seega on vedelfaasilise immutamise meetod oluline meetod C/C komposiitmaterjalide valmistamiseks. See seisneb süsinikkiust valmistatud tooriku kastmises vedelasse immutusvahendisse ja immutusvahendi täielikus imbumises tooriku tühikutesse rõhu all ning seejärel selliste protsesside abil nagu kõvendamine, karboniseerimine ja grafitiseerimine, saadakse lõpuks...C/C komposiitmaterjalidSelle puuduseks on see, et tihedusnõuete saavutamiseks on vaja korduvaid immutamis- ja karboniseerimistsükleid. Vedelfaasilise immutamise meetodil on immutusvahendi koostis ja struktuur väga olulised. See mõjutab mitte ainult tihendamise efektiivsust, vaid ka toote mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi. Immutusvahendi karboniseerimise saagise parandamine ja immutusvahendi viskoossuse vähendamine on alati olnud üks peamisi lahendamist vajavaid küsimusi C/C-komposiitmaterjalide valmistamisel vedelfaasilise immutamise meetodil. Immutusvahendi kõrge viskoossus ja madal karboniseerimise saagis on üks olulisi põhjuseid, miks C/C-komposiitmaterjalid on kõrge hinnaga. Immutusvahendi toimivuse parandamine ei saa mitte ainult parandada C/C-komposiitmaterjalide tootmise efektiivsust ja vähendada nende maksumust, vaid ka parandada C/C-komposiitmaterjalide mitmesuguseid omadusi. C/C-komposiitmaterjalide oksüdatsioonivastane töötlemine Süsinikkiud hakkab õhus oksüdeeruma temperatuuril 360 °C. Grafiitkiud on süsinikkiust veidi parem ja selle oksüdatsioonitemperatuur hakkab oksüdeeruma temperatuuril 420 °C. C/C-komposiitmaterjalide oksüdatsioonitemperatuur on umbes 450 °C. C/C komposiitmaterjalid oksüdeeruvad kõrgel temperatuuril oksüdatiivses atmosfääris väga kergesti ning oksüdatsioonikiirus suureneb temperatuuri tõustes kiiresti. Ilma oksüdatsioonivastaste meetmeteta põhjustab C/C komposiitmaterjalide pikaajaline kasutamine kõrgel temperatuuril oksüdatiivses keskkonnas paratamatult katastroofilisi tagajärgi. Seetõttu on C/C komposiitmaterjalide oksüdatsioonivastane töötlemine muutunud nende valmistamisprotsessi lahutamatuks osaks. Antioksüdatsioonitehnoloogia seisukohast saab seda jagada sisemiseks antioksüdatsioonitehnoloogiaks ja antioksüdatsioonikattetehnoloogiaks.

Keemiline aurufaas

Keemilise aurustamise (CVD või CVI) puhul sadestatakse süsinik otse tooriku pooridesse, et saavutada pooride täitmine ja tiheduse suurendamine. Sadestatud süsinikku on lihtne grafitiseerida ja see on kiududega hästi kokkusobiv. See ei kahane uuesti karboniseerimise ajal nagu immutamismeetod ning selle meetodi füüsikalised ja mehaanilised omadused on paremad. CVD-protsessi käigus aga takistab tooriku pinnale sadestatud süsinik gaasi difundeerimist sisemistesse pooridesse. Pinnale sadestunud süsinik tuleks mehaaniliselt eemaldada ja seejärel läbi viia uus sadestamisvoor. Paksude toodete puhul on CVD-meetodil teatud raskusi ja selle meetodi tsükkel on samuti väga pikk.