Szénszálas kompozit anyagok előállítási folyamata

A szén-szén kompozit anyagok áttekintése

Szén/szén (C/C) kompozit anyagegy szénszállal erősített kompozit anyag, amely számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik, mint például a nagy szilárdság és modulus, a kis fajsúly, a kis hőtágulási együttható, a korrózióállóság, a hősokk-állóság, a jó súrlódási ellenállás és a jó kémiai stabilitás. Ez egy új típusú, ultramagas hőmérsékletű kompozit anyag.

C/C kompozit anyagkiváló hőszerkezet-funkcionális integrált mérnöki anyag. Más nagy teljesítményű kompozit anyagokhoz hasonlóan ez is egy kompozit szerkezet, amely egy szálerősítésű fázisból és egy bázikus fázisból áll. A különbség az, hogy mind az erősített fázis, mind az bázikus fázis tiszta szénből áll, különleges tulajdonságokkal.

Szén/szén kompozit anyagokfőként szénfilcből, szénszövetből, szénszálból erősítőanyagként és gőzöléssel leválasztott szénből mint mátrixból készülnek, de csak egy elemet tartalmaznak, a szenet. A sűrűség növelése érdekében a karbonizálással keletkező szenet szénnel vagy gyantával (vagy aszfalttal) impregnálják, azaz a szén/szén kompozit anyagok három szén anyagból készülnek.

Szén-szén kompozit anyagok gyártási folyamata

1) Szénszálas anyagválasztás

A szénszálas kötegek kiválasztása és a szálas szövetek szerkezeti kialakítása képezi a gyártás alapját.C/C kompozitA C/C kompozitok mechanikai és termofizikai tulajdonságai meghatározhatók a száltípusok és a szövet szövési paramétereinek racionális kiválasztásával, például a fonalköteg-elrendezés orientációjával, a fonalköteg-távolsággal, a fonalköteg térfogatával stb.

2) Szénszálas előforma előkészítése

A szénszálas előgyártmány egy olyan nyersdarab, amelyet a szál kívánt szerkezeti alakjára formálnak a termék alakja és teljesítménykövetelményei szerint a tömörítési folyamat végrehajtása érdekében. Az előgyártott szerkezeti alkatrészek három fő feldolgozási módszerrel készülnek: lágy szövéssel, kemény szövéssel és lágy-kemény kevert szövéssel. A fő szövési eljárások a következők: száraz fonalszövés, előimpregnált pálcacsoport-elrendezés, finom szövésű lyukasztás, száltekercselés és háromdimenziós, többirányú összszövés. Jelenleg a C kompozit anyagokban használt fő szövési eljárás a háromdimenziós, többirányú összszövés. A szövési eljárás során minden szövött szálat egy bizonyos irányba rendeznek el. Minden szál egy bizonyos szögben el van tolva a saját irányában, és egymással összefonódik, hogy szövetet képezzen. Jellemzője, hogy háromdimenziós, többirányú összszövést képes kialakítani, amely hatékonyan szabályozhatja a szálak térfogatát a C/C kompozit anyag mindkét irányában, így a C/C kompozit anyag minden irányban megfelelő mechanikai tulajdonságokat tud kifejteni.

3) C/C tömörítési folyamat

A tömörítés mértékét és hatékonyságát főként az alapanyag szövetszerkezete és folyamatparaméterei befolyásolják. A jelenleg alkalmazott eljárásmódok közé tartozik az impregnált karbonizálás, a kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD), a kémiai gőzinfiltráció (CVI), a kémiai folyadékleválasztás, a pirolízis és egyéb módszerek. Az eljárásmódoknak két fő típusa van: az impregnált karbonizálási eljárás és a kémiai gőzinfiltrációs eljárás.

Folyékony fázisú impregnálás-karbonizálás

A folyékony fázisú impregnálási módszer viszonylag egyszerű berendezésekkel rendelkezik, és széles körben alkalmazható, így a folyékony fázisú impregnálási módszer fontos módszer a C/C kompozit anyagok előállítására. A lényege, hogy a szénszálas előformát belemerítik a folyékony impregnálószerbe, és nyomás alatt az impregnálószert teljesen behatolják az előforma üregeibe, majd egy sor folyamaton, például kikeményítésen, karbonizáláson és grafitizáláson keresztül végül megkapják a kívánt eredményt.C/C kompozit anyagokHátránya, hogy ismételt impregnálási és karbonizálási ciklusokra van szükség a sűrűségi követelmények eléréséhez. A folyékony fázisú impregnálási eljárásban az impregnálószer összetétele és szerkezete nagyon fontos. Ez nemcsak a tömörítési hatékonyságot befolyásolja, hanem a termék mechanikai és fizikai tulajdonságait is. Az impregnálószer karbonizálási hozamának javítása és az impregnálószer viszkozitásának csökkentése mindig is az egyik legfontosabb kérdés volt a C/C kompozit anyagok folyékony fázisú impregnálási eljárással történő előállításában. Az impregnálószer magas viszkozitása és alacsony karbonizálási hozama a C/C kompozit anyagok magas költségének egyik fontos oka. Az impregnálószer teljesítményének javítása nemcsak a C/C kompozit anyagok gyártási hatékonyságát javíthatja és költségeiket csökkentheti, hanem a C/C kompozit anyagok különböző tulajdonságait is javíthatja. C/C kompozit anyagok antioxidációs kezelése A szénszál 360°C-on oxidálódik a levegőben. A grafitszál valamivel jobb, mint a szénszál, oxidációs hőmérséklete 420°C-on kezd oxidálódni. A C/C kompozit anyagok oxidációs hőmérséklete körülbelül 450°C. A C/C kompozit anyagok nagyon könnyen oxidálódnak magas hőmérsékletű oxidatív atmoszférában, és az oxidációs sebesség a hőmérséklet növekedésével gyorsan növekszik. Antioxidációs intézkedések hiányában a C/C kompozit anyagok hosszú távú használata magas hőmérsékletű oxidatív környezetben elkerülhetetlenül katasztrofális következményekkel jár. Ezért a C/C kompozit anyagok antioxidációs kezelése nélkülözhetetlen részévé vált az előállítási folyamatuknak. Az antioxidációs technológia szempontjából belső antioxidációs technológiára és antioxidációs bevonati technológiára osztható.

Kémiai gőzfázis

A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD vagy CVI) során a szenet közvetlenül a nyersdarab pórusaiba rakják le, hogy kitöltsék a pórusokat és növeljék a sűrűséget. A lerakódott szén könnyen grafitizálható, és jó fizikai kompatibilitással rendelkezik a szálakkal. Az impregnálással ellentétben az újrakarbonizálás során nem zsugorodik, és ennek a módszernek a fizikai és mechanikai tulajdonságai is jobbak. A CVD eljárás során azonban, ha a szén a nyersdarab felületére rakódik le, az megakadályozza a gáz diffúzióját a belső pórusokba. A felületre lerakódott szenet mechanikusan el kell távolítani, majd új leválasztási kört kell végezni. Vastag termékek esetén a CVD módszernek is vannak bizonyos nehézségei, és a módszer ciklusideje is nagyon hosszú.