Postupak pripreme kompozitnih materijala od karbonskih vlakana

Pregled ugljik-ugljikovih kompozitnih materijala

Kompozitni materijal ugljik/ugljik (C/C)je kompozitni materijal ojačan ugljičnim vlaknima s nizom izvrsnih svojstava kao što su visoka čvrstoća i modul, mala specifična težina, mali koeficijent toplinskog širenja, otpornost na koroziju, otpornost na toplinske udare, dobra otpornost na trenje i dobra kemijska stabilnost. To je nova vrsta kompozitnog materijala za ultra visoke temperature.

C/C kompozitni materijalje izvrstan toplinski strukturno-funkcionalni integrirani inženjerski materijal. Poput drugih visokoučinkovitih kompozitnih materijala, kompozitna je struktura sastavljena od faze ojačane vlaknima i osnovne faze. Razlika je u tome što su i ojačana i osnovna faza sastavljene od čistog ugljika sa posebnim svojstvima.

Ugljik/ugljik kompozitni materijaliUglavnom se izrađuju od karbonskog filca, karbonske tkanine, karbonskih vlakana kao ojačanja i ugljika deponiranog parom kao matrice, ali imaju samo jedan element, a to je ugljik. Kako bi se povećala gustoća, ugljik nastao karbonizacijom impregnira se ugljikom ili impregnira smolom (ili asfaltom), odnosno kompozitni materijali ugljik/ugljik izrađeni su od tri ugljična materijala.

Proces proizvodnje kompozitnih materijala ugljik-ugljik

1) Izbor karbonskih vlakana

Odabir snopova karbonskih vlakana i strukturni dizajn vlaknastih tkanina osnova su za proizvodnjuC/C kompozitMehanička i termofizička svojstva C/C kompozita mogu se odrediti racionalnim odabirom vrsta vlakana i parametara tkanja tkanine, kao što su orijentacija rasporeda snopova pređe, razmak između snopova pređe, volumenski sadržaj snopa pređe itd.

2) Priprema predoblika od karbonskih vlakana

Predoblik od karbonskih vlakana odnosi se na blank koji se oblikuje u potreban strukturni oblik vlakana prema zahtjevima oblika i performansi proizvoda kako bi se proveo proces zgušnjavanja. Postoje tri glavne metode obrade za predoblikovane strukturne dijelove: meko tkanje, tvrdo tkanje i meko-tvrdo miješano tkanje. Glavni procesi tkanja su: tkanje suhom pređom, raspored prethodno impregniranih grupa šipki, fino tkanje s probijanjem, namatanje vlakana i trodimenzionalno višesmjerno cjelokupno tkanje. Trenutno je glavni proces tkanja koji se koristi u C kompozitnim materijalima trodimenzionalno ukupno višesmjerno tkanje. Tijekom procesa tkanja, sva tkana vlakna su raspoređena u određenom smjeru. Svako vlakno je pomaknuto pod određenim kutom duž svog smjera i isprepliće se jedno s drugim kako bi se formirala tkanina. Njegova je karakteristika da može formirati trodimenzionalnu višesmjernu cjelokupnu tkaninu, koja može učinkovito kontrolirati volumenski sadržaj vlakana u svakom smjeru C/C kompozitnog materijala, tako da C/C kompozitni materijal može pokazati razumna mehanička svojstva u svim smjerovima.

3) Proces zgušnjavanja C/C

Stupanj i učinkovitost zgušnjavanja uglavnom su pod utjecajem strukture tkanine i procesnih parametara osnovnog materijala. Procesne metode koje se trenutno koriste uključuju impregnacijsku karbonizaciju, kemijsko taloženje iz pare (CVD), kemijsku infiltraciju iz pare (CVI), kemijsko taloženje tekućine, pirolizu i druge metode. Postoje dvije glavne vrste procesnih metoda: proces impregnacijske karbonizacije i proces kemijske infiltracije iz pare.

Impregnacija-karbonizacija tekuće faze

Metoda impregnacije tekućom fazom relativno je jednostavna za opremu i ima široku primjenu, pa je metoda impregnacije tekućom fazom važna metoda za pripremu C/C kompozitnih materijala. To znači uroniti predoblik izrađen od karbonskih vlakana u tekući impregnant, a impregnant potpuno prodrijeti u šupljine predoblika pod tlakom, a zatim kroz niz procesa poput vulkanizacije, karbonizacije i grafitizacije konačno dobitiC/C kompozitni materijaliNedostatak mu je što su potrebni ponovljeni ciklusi impregnacije i karbonizacije kako bi se postigla zadana gustoća. Sastav i struktura impregnanta u metodi impregnacije u tekućoj fazi vrlo su važni. Ne utječe samo na učinkovitost zgušnjavanja, već utječe i na mehanička i fizikalna svojstva proizvoda. Poboljšanje prinosa karbonizacije impregnanta i smanjenje viskoznosti impregnanta oduvijek su bili jedno od ključnih pitanja koja treba riješiti u pripremi C/C kompozitnih materijala metodom impregnacije u tekućoj fazi. Visoka viskoznost i nizak prinos karbonizacije impregnanta jedan su od važnih razloga visoke cijene C/C kompozitnih materijala. Poboljšanje performansi impregnanta ne samo da može poboljšati učinkovitost proizvodnje C/C kompozitnih materijala i smanjiti njihovu cijenu, već i poboljšati različita svojstva C/C kompozitnih materijala. Antioksidacijski tretman C/C kompozitnih materijala Karbonska vlakna počinju oksidirati na 360°C na zraku. Grafitna vlakna su nešto bolja od karbonskih vlakana, a njihova temperatura oksidacije počinje oksidirati na 420°C. Temperatura oksidacije C/C kompozitnih materijala je oko 450°C. C/C kompozitni materijali vrlo lako oksidiraju u oksidativnoj atmosferi visoke temperature, a brzina oksidacije brzo raste s porastom temperature. Ako nema antioksidacijskih mjera, dugotrajna upotreba C/C kompozitnih materijala u oksidativnom okruženju visoke temperature neizbježno će uzrokovati katastrofalne posljedice. Stoga je antioksidacijski tretman C/C kompozitnih materijala postao neizostavan dio procesa njihove pripreme. Iz perspektive antioksidacijske tehnologije, može se podijeliti na unutarnju antioksidacijsku tehnologiju i tehnologiju antioksidacijskog premaza.

Kemijska parna faza

Kemijsko taloženje iz pare (CVD ili CVI) je nanošenje ugljika izravno u pore blanka kako bi se postigla svrha popunjavanja pora i povećanja gustoće. Taloženi ugljik lako se grafitizira i ima dobru fizičku kompatibilnost s vlaknima. Neće se skupljati tijekom rekarbonizacije kao kod metode impregnacije, a fizikalna i mehanička svojstva ove metode su bolja. Međutim, tijekom CVD procesa, ako se ugljik taloži na površini blanka, to će spriječiti difuziju plina u unutarnje pore. Ugljik taložen na površini treba mehanički ukloniti, a zatim provesti novi krug taloženja. Za debele proizvode, CVD metoda također ima određene poteškoće, a ciklus ove metode je također vrlo dug.