Processo di preparazione dei materiali compositi in fibra di carbonio

Panoramica sui materiali compositi carbonio-carbonio

Materiale composito carbonio/carbonio (C/C)È un materiale composito rinforzato con fibra di carbonio che possiede una serie di eccellenti proprietà, quali elevata resistenza e modulo elastico, basso peso specifico, basso coefficiente di dilatazione termica, resistenza alla corrosione, resistenza agli shock termici, buona resistenza all'attrito e buona stabilità chimica. Si tratta di un nuovo tipo di materiale composito per altissime temperature.

Materiale composito C/CÈ un eccellente materiale ingegneristico integrato struttura-struttura termica. Come altri materiali compositi ad alte prestazioni, è una struttura composita costituita da una fase rinforzata con fibre e da una fase di base. La differenza sta nel fatto che sia la fase di rinforzo che la fase di base sono composte da carbonio puro con proprietà speciali.

Materiali compositi in carbonio/carbonioSono principalmente costituiti da feltro di carbonio, tessuto di carbonio, fibra di carbonio come rinforzo e carbonio depositato in fase vapore come matrice, ma contengono un solo elemento, ovvero il carbonio. Per aumentarne la densità, il carbonio generato dalla carbonizzazione viene impregnato con altro carbonio o con resina (o asfalto), ovvero i materiali compositi carbonio/carbonio sono costituiti da tre materiali a base di carbonio.

Processo di produzione di materiali compositi carbonio-carbonio

1) Scelta della fibra di carbonio

La selezione dei fasci di fibra di carbonio e la progettazione strutturale dei tessuti di fibra sono alla base della produzioneComposito C/CLe proprietà meccaniche e termofisiche dei compositi C/C possono essere determinate selezionando razionalmente i tipi di fibra e i parametri di tessitura del tessuto, come l'orientamento della disposizione dei fasci di filati, la spaziatura dei fasci di filati, il contenuto volumetrico dei fasci di filati, ecc.

2) Preparazione della preforma in fibra di carbonio

Per preforma in fibra di carbonio si intende un grezzo che viene formato nella forma strutturale richiesta della fibra in base alla forma del prodotto e ai requisiti prestazionali, al fine di eseguire il processo di densificazione. Esistono tre principali metodi di lavorazione per le parti strutturali preformate: tessitura morbida, tessitura rigida e tessitura mista morbida e rigida. I principali processi di tessitura sono: tessitura a secco, disposizione di gruppi di barre preimpregnate, tessitura fine a punzonatura, avvolgimento di fibre e tessitura tridimensionale multidirezionale complessiva. Attualmente, il principale processo di tessitura utilizzato nei materiali compositi in carbonio è la tessitura tridimensionale multidirezionale complessiva. Durante il processo di tessitura, tutte le fibre intrecciate sono disposte in una determinata direzione. Ogni fibra è sfalsata di un certo angolo lungo la propria direzione e intrecciata con le altre per formare un tessuto. La sua caratteristica è quella di poter formare un tessuto tridimensionale multidirezionale complessivo, che può controllare efficacemente il contenuto volumetrico di fibre in ciascuna direzione del materiale composito C/C, in modo che il materiale composito C/C possa esercitare proprietà meccaniche adeguate in tutte le direzioni.

3) Processo di densificazione C/C

Il grado e l'efficienza della densificazione sono influenzati principalmente dalla struttura del tessuto e dai parametri di processo del materiale di base. I metodi di processo attualmente utilizzati includono la carbonizzazione per impregnazione, la deposizione chimica da fase vapore (CVD), l'infiltrazione chimica da fase vapore (CVI), la deposizione chimica da fase liquida, la pirolisi e altri metodi. Esistono due tipi principali di metodi di processo: il processo di carbonizzazione per impregnazione e il processo di infiltrazione chimica da fase vapore.

Impregnazione-carbonizzazione in fase liquida

Il metodo di impregnazione in fase liquida è relativamente semplice in termini di attrezzature e ha un'ampia applicabilità, quindi è un metodo importante per la preparazione di materiali compositi C/C. Consiste nell'immergere il preformato in fibra di carbonio nell'impregnante liquido e far sì che l'impregnante penetri completamente nei vuoti del preformato mediante pressurizzazione, e quindi attraverso una serie di processi come polimerizzazione, carbonizzazione e grafitizzazione, si ottiene infineMateriali compositi C/CIl suo svantaggio è che richiede cicli ripetuti di impregnazione e carbonizzazione per raggiungere i requisiti di densità. La composizione e la struttura dell'impregnante nel metodo di impregnazione in fase liquida sono molto importanti. Non solo influenzano l'efficienza di densificazione, ma anche le proprietà meccaniche e fisiche del prodotto. Migliorare la resa di carbonizzazione dell'impregnante e ridurne la viscosità sono sempre stati tra i problemi chiave da risolvere nella preparazione di materiali compositi C/C mediante il metodo di impregnazione in fase liquida. L'elevata viscosità e la bassa resa di carbonizzazione dell'impregnante sono una delle ragioni principali dell'alto costo dei materiali compositi C/C. Migliorare le prestazioni dell'impregnante può non solo migliorare l'efficienza produttiva dei materiali compositi C/C e ridurne il costo, ma anche migliorarne le varie proprietà. Trattamento antiossidante dei materiali compositi C/C: la fibra di carbonio inizia a ossidarsi a 360 °C in aria. La fibra di grafite è leggermente migliore della fibra di carbonio e la sua temperatura di ossidazione inizia a 420 °C. La temperatura di ossidazione dei materiali compositi C/C è di circa 450 °C. I materiali compositi C/C si ossidano molto facilmente in un'atmosfera ossidante ad alta temperatura e la velocità di ossidazione aumenta rapidamente con l'aumento della temperatura. In assenza di misure antiossidanti, l'uso prolungato dei materiali compositi C/C in un ambiente ossidante ad alta temperatura causerà inevitabilmente conseguenze catastrofiche. Pertanto, il trattamento antiossidante dei materiali compositi C/C è diventato una parte indispensabile del loro processo di produzione. Dal punto di vista della tecnologia antiossidante, si può distinguere tra tecnologia antiossidante interna e tecnologia di rivestimento antiossidante.

Fase di vapore chimico

La deposizione chimica da fase vapore (CVD o CVI) consiste nel depositare il carbonio direttamente nei pori del grezzo per riempirli e aumentarne la densità. Il carbonio depositato si grafitizza facilmente e presenta una buona compatibilità fisica con la fibra. A differenza del metodo di impregnazione, non si restringe durante la ricarbonizzazione e le proprietà fisiche e meccaniche risultano migliori. Tuttavia, durante il processo CVD, se il carbonio si deposita sulla superficie del grezzo, impedisce al gas di diffondersi nei pori interni. Il carbonio depositato in superficie deve quindi essere rimosso meccanicamente prima di procedere con un nuovo ciclo di deposizione. Per i prodotti spessi, il metodo CVD presenta alcune difficoltà e i tempi di ciclo sono molto lunghi.