कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्रियों की तैयारी प्रक्रिया

कार्बन-कार्बन मिश्रित सामग्रियों का अवलोकन

कार्बन/कार्बन (C/C) मिश्रित सामग्रीयह कार्बन फाइबर प्रबलित मिश्रित सामग्री है जिसमें उच्च शक्ति और मापांक, कम विशिष्ट गुरुत्व, कम तापीय विस्तार गुणांक, संक्षारण प्रतिरोध, तापीय आघात प्रतिरोध, अच्छा घर्षण प्रतिरोध और अच्छी रासायनिक स्थिरता जैसे उत्कृष्ट गुण पाए जाते हैं। यह अति-उच्च तापमान मिश्रित सामग्री का एक नया प्रकार है।

सी/सी मिश्रित सामग्रीयह एक उत्कृष्ट ऊष्मीय संरचना-कार्यात्मक एकीकृत इंजीनियरिंग सामग्री है। अन्य उच्च-प्रदर्शन मिश्रित सामग्रियों की तरह, यह एक फाइबर-प्रबलित चरण और एक मूल चरण से बनी मिश्रित संरचना है। अंतर यह है कि प्रबलित चरण और मूल चरण दोनों ही विशेष गुणों वाले शुद्ध कार्बन से बने होते हैं।

कार्बन/कार्बन मिश्रित सामग्रीमुख्य रूप से कार्बन फेल्ट, कार्बन क्लॉथ, सुदृढ़ीकरण के रूप में कार्बन फाइबर और मैट्रिक्स के रूप में वाष्प निक्षेपित कार्बन से बने होते हैं, लेकिन इनमें केवल एक ही तत्व होता है, जो कि कार्बन है। घनत्व बढ़ाने के लिए, कार्बनीकरण द्वारा उत्पन्न कार्बन को कार्बन या राल (या डामर) से संसेचित किया जाता है, अर्थात् कार्बन/कार्बन मिश्रित सामग्री तीन कार्बन सामग्रियों से बनी होती है।

कार्बन-कार्बन मिश्रित सामग्रियों की निर्माण प्रक्रिया

1) कार्बन फाइबर का चयन

कार्बन फाइबर बंडलों का चयन और फाइबर फैब्रिक का संरचनात्मक डिजाइन विनिर्माण का आधार है।सी/सी मिश्रितसी/सी कंपोजिट के यांत्रिक गुण और ऊष्माभौतिक गुण फाइबर के प्रकार और कपड़े की बुनाई के मापदंडों, जैसे कि धागे के बंडल की व्यवस्था का अभिविन्यास, धागे के बंडल की दूरी, धागे के बंडल की मात्रा आदि का तर्कसंगत चयन करके निर्धारित किए जा सकते हैं।

2) कार्बन फाइबर प्रीफॉर्म की तैयारी

कार्बन फाइबर प्रीफॉर्म एक ऐसा ब्लैंक होता है जिसे उत्पाद के आकार और प्रदर्शन आवश्यकताओं के अनुसार फाइबर के आवश्यक संरचनात्मक आकार में ढाला जाता है ताकि सघनता प्रक्रिया को पूरा किया जा सके। प्रीफॉर्म किए गए संरचनात्मक भागों के लिए तीन मुख्य प्रसंस्करण विधियाँ हैं: सॉफ्ट वीविंग, हार्ड वीविंग और सॉफ्ट एवं हार्ड मिक्स्ड वीविंग। मुख्य वीविंग प्रक्रियाएँ हैं: ड्राई यार्न वीविंग, प्री-इम्प्रेग्नेटेड रॉड ग्रुप अरेंजमेंट, फाइन वीविंग पंक्चर, फाइबर वाइंडिंग और त्रि-आयामी बहु-दिशात्मक समग्र वीविंग। वर्तमान में, कार्बन फाइबर कंपोजिट सामग्रियों में प्रयुक्त मुख्य वीविंग प्रक्रिया त्रि-आयामी समग्र बहु-दिशात्मक वीविंग है। वीविंग प्रक्रिया के दौरान, सभी बुने हुए फाइबर एक निश्चित दिशा में व्यवस्थित होते हैं। प्रत्येक फाइबर अपनी दिशा में एक निश्चित कोण पर ऑफसेट होता है और एक दूसरे के साथ बुने हुए कपड़े का निर्माण करते हैं। इसकी विशेषता यह है कि यह एक त्रि-आयामी बहु-दिशात्मक समग्र कपड़ा बना सकता है, जो कार्बन फाइबर कंपोजिट सामग्री की प्रत्येक दिशा में फाइबर की मात्रा को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकता है, जिससे कार्बन फाइबर कंपोजिट सामग्री सभी दिशाओं में उचित यांत्रिक गुण प्रदर्शित कर सकती है।

3) सी/सी सघनता प्रक्रिया

सघनता की मात्रा और दक्षता मुख्य रूप से आधार सामग्री की संरचना और प्रक्रिया मापदंडों से प्रभावित होती है। वर्तमान में उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया विधियों में संसेचन कार्बनीकरण, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी), रासायनिक वाष्प अंतर्प्रवेश (सीवीआई), रासायनिक द्रव निक्षेपण, पायरोलिसिस और अन्य विधियाँ शामिल हैं। प्रक्रिया विधियों के दो मुख्य प्रकार हैं: संसेचन कार्बनीकरण प्रक्रिया और रासायनिक वाष्प अंतर्प्रवेश प्रक्रिया।

तरल अवस्था संसेचन-कार्बनीकरण

तरल अवस्था संसेचन विधि उपकरण के लिहाज से अपेक्षाकृत सरल है और इसकी व्यापक प्रयोज्यता है, इसलिए यह कार्बन फाइबर/कार्बनिक मिश्रित सामग्री तैयार करने की एक महत्वपूर्ण विधि है। इसमें कार्बन फाइबर से बने प्रीफॉर्म को तरल संसेचन में डुबोया जाता है, और दबाव डालकर संसेचन को प्रीफॉर्म के छिद्रों में पूरी तरह से प्रवेश कराया जाता है, फिर उपचार, कार्बनीकरण और ग्राफिटाइजेशन जैसी प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से अंततः प्राप्त किया जाता है।C/C मिश्रित सामग्रीइसका नुकसान यह है कि घनत्व की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए बार-बार संसेचन और कार्बनीकरण चक्रों की आवश्यकता होती है। तरल चरण संसेचन विधि में संसेचन पदार्थ की संरचना और संघटन बहुत महत्वपूर्ण होते हैं। यह न केवल सघनता दक्षता को प्रभावित करता है, बल्कि उत्पाद के यांत्रिक और भौतिक गुणों को भी प्रभावित करता है। तरल चरण संसेचन विधि द्वारा कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री के निर्माण में संसेचन पदार्थ की कार्बनीकरण उपज में सुधार और उसकी श्यानता को कम करना हमेशा से ही हल किए जाने वाले प्रमुख मुद्दों में से एक रहा है। संसेचन पदार्थ की उच्च श्यानता और कम कार्बनीकरण उपज कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री की उच्च लागत के महत्वपूर्ण कारणों में से एक है। संसेचन पदार्थ के प्रदर्शन में सुधार से न केवल कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री की उत्पादन दक्षता में सुधार और लागत में कमी आती है, बल्कि कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री के विभिन्न गुणों में भी सुधार होता है। कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्री का ऑक्सीकरण-रोधी उपचार: कार्बन फाइबर हवा में 360°C पर ऑक्सीकृत होना शुरू हो जाता है। ग्रेफाइट फाइबर कार्बन फाइबर से थोड़ा बेहतर होता है, और इसका ऑक्सीकरण तापमान 420°C पर शुरू होता है। C/C मिश्रित सामग्रियों का ऑक्सीकरण तापमान लगभग 450°C होता है। C/C मिश्रित सामग्रियां उच्च तापमान वाले ऑक्सीकरण वातावरण में बहुत आसानी से ऑक्सीकृत हो जाती हैं, और तापमान बढ़ने के साथ ऑक्सीकरण दर तेजी से बढ़ती है। यदि ऑक्सीकरण-रोधी उपाय नहीं किए जाते हैं, तो उच्च तापमान वाले ऑक्सीकरण वातावरण में C/C मिश्रित सामग्रियों का दीर्घकालिक उपयोग विनाशकारी परिणाम उत्पन्न कर सकता है। इसलिए, C/C मिश्रित सामग्रियों का ऑक्सीकरण-रोधी उपचार इसकी निर्माण प्रक्रिया का एक अनिवार्य हिस्सा बन गया है। ऑक्सीकरण-रोधी तकनीक के दृष्टिकोण से, इसे आंतरिक ऑक्सीकरण-रोधी तकनीक और ऑक्सीकरण-रोधी कोटिंग तकनीक में विभाजित किया जा सकता है।

रासायनिक वाष्प चरण

रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी या सीवीआई) विधि में कार्बन को सीधे फाइबर के छिद्रों में जमा किया जाता है, जिससे छिद्र भर जाते हैं और घनत्व बढ़ जाता है। जमा किया गया कार्बन आसानी से ग्रेफाइट में परिवर्तित हो जाता है और फाइबर के साथ इसकी भौतिक अनुकूलता अच्छी होती है। यह संसेचन विधि की तरह पुनः कार्बनीकरण के दौरान सिकुड़ता नहीं है, और इस विधि के भौतिक और यांत्रिक गुण बेहतर होते हैं। हालांकि, सीवीडी प्रक्रिया के दौरान, यदि कार्बन फाइबर की सतह पर जमा हो जाता है, तो यह गैस को आंतरिक छिद्रों में फैलने से रोकता है। सतह पर जमा कार्बन को यांत्रिक रूप से हटाना आवश्यक है और फिर निक्षेपण की एक नई प्रक्रिया करनी पड़ती है। मोटे उत्पादों के लिए, सीवीडी विधि में कुछ कठिनाइयाँ भी हैं, और इस विधि का चक्र भी बहुत लंबा होता है।