Proses pembuatan material komposit serat karbon

Gambaran Umum Material Komposit Karbon-Karbon

Material komposit karbon/karbon (C/C)adalah material komposit yang diperkuat serat karbon dengan serangkaian sifat unggul seperti kekuatan dan modulus tinggi, berat jenis ringan, koefisien ekspansi termal kecil, ketahanan korosi, ketahanan terhadap guncangan termal, ketahanan gesekan yang baik, dan stabilitas kimia yang baik. Ini adalah jenis baru material komposit suhu ultra-tinggi.

Bahan komposit C/Cmerupakan material rekayasa terintegrasi struktur-fungsi termal yang sangat baik. Seperti material komposit berkinerja tinggi lainnya, material ini memiliki struktur komposit yang terdiri dari fase penguat serat dan fase dasar. Perbedaannya adalah bahwa baik fase penguat maupun fase dasar tersusun dari karbon murni dengan sifat khusus.

Material komposit karbon/karbonMaterial komposit karbon/karbon terutama terbuat dari felt karbon, kain karbon, serat karbon sebagai penguat, dan karbon yang diendapkan uap sebagai matriks, tetapi hanya memiliki satu elemen, yaitu karbon. Untuk meningkatkan kepadatan, karbon yang dihasilkan melalui karbonisasi diresapi dengan karbon atau diresapi dengan resin (atau aspal), artinya, material komposit karbon/karbon terbuat dari tiga material karbon.

Proses manufaktur material komposit karbon-karbon

1) Pilihan serat karbon

Pemilihan bundel serat karbon dan desain struktural kain serat merupakan dasar untuk proses manufaktur.Komposit C/CSifat mekanik dan sifat termofisik komposit C/C dapat ditentukan dengan memilih jenis serat dan parameter tenun kain secara rasional, seperti orientasi susunan bundel benang, jarak antar bundel benang, kandungan volume bundel benang, dan lain sebagainya.

2) Persiapan preform serat karbon

Preform serat karbon mengacu pada lembaran yang dibentuk menjadi bentuk struktural serat yang dibutuhkan sesuai dengan bentuk produk dan persyaratan kinerja untuk melakukan proses pemadatan. Terdapat tiga metode pemrosesan utama untuk bagian struktural preform: tenun lunak, tenun keras, dan tenun campuran lunak dan keras. Proses tenun utama meliputi: tenun benang kering, pengaturan kelompok batang pra-impregnasi, penusukan tenun halus, penggulungan serat, dan tenun keseluruhan multi-arah tiga dimensi. Saat ini, proses tenun utama yang digunakan dalam material komposit C adalah tenun keseluruhan multi-arah tiga dimensi. Selama proses tenun, semua serat yang ditenun diatur dalam arah tertentu. Setiap serat diimbangi pada sudut tertentu sepanjang arahnya sendiri dan saling terjalin untuk membentuk kain. Karakteristiknya adalah dapat membentuk kain keseluruhan multi-arah tiga dimensi, yang secara efektif dapat mengontrol kandungan volume serat di setiap arah material komposit C/C, sehingga material komposit C/C dapat menunjukkan sifat mekanik yang wajar di semua arah.

3) Proses pemadatan C/C

Tingkat dan efisiensi pemadatan terutama dipengaruhi oleh struktur kain dan parameter proses bahan dasar. Metode proses yang saat ini digunakan meliputi karbonisasi impregnasi, deposisi uap kimia (CVD), infiltrasi uap kimia (CVI), deposisi cairan kimia, pirolisis, dan metode lainnya. Terdapat dua jenis utama metode proses: proses karbonisasi impregnasi dan proses infiltrasi uap kimia.

Impregnasi-karbonisasi fase cair

Metode impregnasi fase cair relatif sederhana dalam peralatan dan memiliki penerapan yang luas, sehingga metode impregnasi fase cair merupakan metode penting untuk pembuatan material komposit C/C. Metode ini melibatkan perendaman preform yang terbuat dari serat karbon ke dalam cairan impregnasi, dan memastikan impregnasi sepenuhnya menembus rongga-rongga preform dengan tekanan, kemudian melalui serangkaian proses seperti pengerasan, karbonisasi, dan grafitisasi, hingga akhirnya diperoleh material komposit C/C.Bahan komposit C/CKelemahannya adalah dibutuhkannya siklus impregnasi dan karbonisasi berulang untuk mencapai persyaratan densitas. Komposisi dan struktur impregnan dalam metode impregnasi fase cair sangat penting. Hal ini tidak hanya memengaruhi efisiensi densifikasi, tetapi juga memengaruhi sifat mekanik dan fisik produk. Meningkatkan hasil karbonisasi impregnan dan mengurangi viskositas impregnan selalu menjadi salah satu isu kunci yang harus dipecahkan dalam pembuatan material komposit C/C dengan metode impregnasi fase cair. Viskositas tinggi dan hasil karbonisasi impregnan yang rendah merupakan salah satu alasan penting tingginya biaya material komposit C/C. Meningkatkan kinerja impregnan tidak hanya dapat meningkatkan efisiensi produksi material komposit C/C dan mengurangi biayanya, tetapi juga meningkatkan berbagai sifat material komposit C/C. Perlakuan anti-oksidasi material komposit C/C. Serat karbon mulai teroksidasi pada suhu 360°C di udara. Serat grafit sedikit lebih baik daripada serat karbon, dan suhu oksidasinya mulai teroksidasi pada 420°C. Suhu oksidasi material komposit C/C sekitar 450°C. Material komposit C/C sangat mudah teroksidasi dalam atmosfer oksidatif suhu tinggi, dan laju oksidasi meningkat pesat seiring dengan peningkatan suhu. Jika tidak ada tindakan anti-oksidasi, penggunaan jangka panjang material komposit C/C dalam lingkungan oksidatif suhu tinggi pasti akan menyebabkan konsekuensi yang sangat buruk. Oleh karena itu, perlakuan anti-oksidasi pada material komposit C/C telah menjadi bagian yang tak terpisahkan dari proses pembuatannya. Dari perspektif teknologi anti-oksidasi, dapat dibagi menjadi teknologi anti-oksidasi internal dan teknologi pelapisan anti-oksidasi.

Fase Uap Kimia

Chemical vapor deposition (CVD atau CVI) adalah proses pengendapan karbon langsung ke dalam pori-pori bahan baku untuk mencapai tujuan pengisian pori dan peningkatan densitas. Karbon yang diendapkan mudah mengalami grafitisasi, dan memiliki kompatibilitas fisik yang baik dengan serat. Karbon tersebut tidak akan menyusut selama proses re-karbonisasi seperti metode impregnasi, dan sifat fisik serta mekaniknya lebih baik. Namun, selama proses CVD, jika karbon diendapkan di permukaan bahan baku, hal itu akan mencegah gas berdifusi ke dalam pori-pori internal. Karbon yang diendapkan di permukaan harus dihilangkan secara mekanis dan kemudian proses pengendapan baru harus dilakukan. Untuk produk yang tebal, metode CVD juga memiliki kesulitan tertentu, dan siklus metode ini juga sangat panjang.