فرآیند آماده‌سازی مواد کامپوزیتی الیاف کربن

مروری بر مواد کامپوزیت کربن-کربن

مواد کامپوزیت کربن/کربن (C/C)یک ماده کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف کربن با مجموعه‌ای از خواص عالی مانند استحکام و مدول بالا، وزن مخصوص سبک، ضریب انبساط حرارتی کوچک، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر اصطکاک خوب و پایداری شیمیایی خوب است. این نوع جدیدی از مواد کامپوزیتی با دمای فوق بالا است.

مواد کامپوزیت C/Cیک ماده مهندسی یکپارچه با ساختار حرارتی-عملکردی عالی است. مانند سایر مواد کامپوزیتی با کارایی بالا، این ماده یک ساختار کامپوزیتی است که از یک فاز تقویت‌شده با الیاف و یک فاز پایه تشکیل شده است. تفاوت این است که هم فاز تقویت‌شده و هم فاز پایه از کربن خالص با خواص ویژه تشکیل شده‌اند.

مواد کامپوزیت کربن/کربنعمدتاً از نمد کربن، پارچه کربن، فیبر کربن به عنوان تقویت کننده و کربن رسوب شده با بخار به عنوان ماتریس ساخته می‌شوند، اما فقط یک عنصر دارد که آن هم کربن است. به منظور افزایش چگالی، کربن تولید شده توسط کربنیزاسیون با کربن یا رزین (یا آسفالت) آغشته می‌شود، یعنی مواد کامپوزیت کربن/کربن از سه ماده کربنی ساخته می‌شوند.

فرآیند تولید مواد کامپوزیت کربن-کربن

۱) انتخاب فیبر کربن

انتخاب دسته‌های الیاف کربن و طراحی ساختاری پارچه‌های الیاف، اساس تولید هستند.کامپوزیت C/Cخواص مکانیکی و خواص ترموفیزیکی کامپوزیت‌های C/C را می‌توان با انتخاب منطقی انواع الیاف و پارامترهای بافت پارچه، مانند جهت قرارگیری دسته نخ، فاصله دسته نخ، میزان حجم دسته نخ و غیره، تعیین کرد.

۲) تهیه پیش فرم الیاف کربن

پیش فرم الیاف کربن به یک قطعه خام اشاره دارد که مطابق با شکل محصول و الزامات عملکردی، به شکل ساختاری مورد نیاز الیاف، به منظور انجام فرآیند تراکم، شکل داده می‌شود. سه روش اصلی پردازش برای قطعات ساختاری پیش فرم داده شده وجود دارد: بافت نرم، بافت سخت و بافت ترکیبی نرم و سخت. فرآیندهای اصلی بافت عبارتند از: بافت نخ خشک، چیدمان گروه میله از پیش آغشته شده، سوراخ کردن بافت ریز، پیچاندن الیاف و بافت کلی چند جهته سه بعدی. در حال حاضر، فرآیند اصلی بافت مورد استفاده در مواد کامپوزیت C، بافت کلی چند جهته سه بعدی است. در طول فرآیند بافت، تمام الیاف بافته شده در یک جهت خاص چیده می‌شوند. هر الیاف با زاویه خاصی در امتداد جهت خود جابجا شده و با یکدیگر در هم تنیده می‌شوند تا یک پارچه تشکیل دهند. ویژگی آن این است که می‌تواند یک پارچه کلی چند جهته سه بعدی تشکیل دهد که می‌تواند به طور موثر محتوای حجمی الیاف را در هر جهت از ماده کامپوزیت C/C کنترل کند، به طوری که ماده کامپوزیت C/C می‌تواند خواص مکانیکی معقولی را در همه جهات اعمال کند.

۳) فرآیند تراکم C/C

درجه و راندمان متراکم‌سازی عمدتاً تحت تأثیر ساختار پارچه و پارامترهای فرآیند ماده پایه قرار دارد. روش‌های فرآیندی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از کربنیزاسیون اشباع، رسوب بخار شیمیایی (CVD)، نفوذ بخار شیمیایی (CVI)، رسوب مایع شیمیایی، پیرولیز و سایر روش‌ها. دو نوع اصلی از روش‌های فرآیندی وجود دارد: فرآیند کربنیزاسیون اشباع و فرآیند نفوذ بخار شیمیایی.

اشباع فاز مایع-کربنیزاسیون

روش اشباع فاز مایع از نظر تجهیزات نسبتاً ساده است و کاربرد گسترده‌ای دارد، بنابراین روش اشباع فاز مایع روشی مهم برای تهیه مواد کامپوزیت C/C است. در این روش، پیش‌فرم ساخته شده از الیاف کربن در مایع اشباع غوطه‌ور می‌شود و با اعمال فشار، مایع اشباع به طور کامل به داخل حفره‌های پیش‌فرم نفوذ می‌کند و سپس از طریق یک سری فرآیندهایی مانند پخت، کربنیزاسیون و گرافیتیزاسیون، در نهایت به دست می‌آید.مواد کامپوزیت کربن/کربنعیب آن این است که برای دستیابی به چگالی مورد نیاز، چرخه‌های اشباع و کربنیزاسیون مکرر لازم است. ترکیب و ساختار ماده اشباع در روش اشباع فاز مایع بسیار مهم است. این امر نه تنها بر راندمان تراکم تأثیر می‌گذارد، بلکه بر خواص مکانیکی و فیزیکی محصول نیز تأثیر می‌گذارد. بهبود بازده کربنیزاسیون ماده اشباع و کاهش ویسکوزیته ماده اشباع همواره یکی از مسائل کلیدی بوده است که باید در تهیه مواد کامپوزیتی C/C با روش اشباع فاز مایع حل شود. ویسکوزیته بالا و بازده کربنیزاسیون پایین ماده اشباع یکی از دلایل مهم هزینه بالای مواد کامپوزیتی C/C است. بهبود عملکرد ماده اشباع نه تنها می‌تواند راندمان تولید مواد کامپوزیتی C/C را بهبود بخشد و هزینه آنها را کاهش دهد، بلکه خواص مختلف مواد کامپوزیتی C/C را نیز بهبود می‌بخشد. عملیات ضد اکسیداسیون مواد کامپوزیتی C/C فیبر کربن در دمای 360 درجه سانتیگراد در هوا شروع به اکسید شدن می‌کند. فیبر گرافیت کمی بهتر از فیبر کربن است و دمای اکسیداسیون آن در دمای 420 درجه سانتیگراد شروع به اکسید شدن می‌کند. دمای اکسیداسیون مواد کامپوزیتی C/C حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد است. مواد کامپوزیتی C/C در اتمسفر اکسیداتیو با دمای بالا بسیار آسان اکسید می‌شوند و با افزایش دما، سرعت اکسیداسیون به سرعت افزایش می‌یابد. اگر اقدامات ضد اکسیداسیون انجام نشود، استفاده طولانی مدت از مواد کامپوزیتی C/C در محیط اکسیداتیو با دمای بالا به ناچار عواقب فاجعه باری به همراه خواهد داشت. بنابراین، عملیات ضد اکسیداسیون مواد کامپوزیتی C/C به بخش ضروری فرآیند آماده‌سازی آن تبدیل شده است. از منظر فناوری ضد اکسیداسیون، می‌توان آن را به فناوری ضد اکسیداسیون داخلی و فناوری پوشش ضد اکسیداسیون تقسیم کرد.

فاز بخار شیمیایی

رسوب بخار شیمیایی (CVD یا CVI) رسوب مستقیم کربن در منافذ قطعه کار برای رسیدن به هدف پر کردن منافذ و افزایش چگالی است. کربن رسوب شده به راحتی گرافیتی می‌شود و سازگاری فیزیکی خوبی با فیبر دارد. در طول کربنیزاسیون مجدد مانند روش اشباع، کوچک نمی‌شود و خواص فیزیکی و مکانیکی این روش بهتر است. با این حال، در طول فرآیند CVD، اگر کربن روی سطح قطعه کار رسوب کند، از نفوذ گاز به منافذ داخلی جلوگیری می‌کند. کربن رسوب شده روی سطح باید به صورت مکانیکی برداشته شود و سپس دور جدیدی از رسوب انجام شود. برای محصولات ضخیم، روش CVD نیز مشکلات خاصی دارد و چرخه این روش نیز بسیار طولانی است.