תהליך הכנה של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן

סקירה כללית של חומרים מרוכבים פחמן-פחמן

חומר מרוכב פחמן/פחמן (C/C)הוא חומר מרוכב מחוזק בסיבי פחמן בעל סדרה של תכונות מצוינות כגון חוזק ומודולוס גבוהים, משקל סגולי לאור, מקדם התפשטות תרמי קטן, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני הלם תרמי, עמידות טובה לחיכוך ויציבות כימית טובה. זהו סוג חדש של חומר מרוכב בטמפרטורה גבוהה במיוחד.

חומר מרוכב C/Cהוא חומר הנדסי משולב מבנה תרמי-תפקודי מצוין. כמו חומרים מרוכבים אחרים בעלי ביצועים גבוהים, זהו מבנה מרוכב המורכב מפאזה מחוזקת בסיבים ופאזה בסיסית. ההבדל הוא שגם הפאזה המחוזקת וגם הפאזה הבסיסית מורכבות מפחמן טהור בעל תכונות מיוחדות.

חומרים מרוכבים פחמן/פחמןעשויים בעיקר מרכיבים של לבד פחמן, בד פחמן, סיבי פחמן כחיזוק, ופחמן מופקד באדים כמטריקס, אך יש להם רק אלמנט אחד, שהוא פחמן. על מנת להגדיל את הצפיפות, הפחמן שנוצר על ידי הפחמן ספוג בפחמן או ספוג בשרף (או אספלט), כלומר, חומרים מרוכבים פחמן/פחמן עשויים משלושה חומרי פחמן.

תהליך ייצור של חומרים מרוכבים פחמן-פחמן

1) בחירת סיבי פחמן

בחירת צרורות סיבי פחמן ועיצובם המבני של בדי הסיבים הם הבסיס לייצור.C/C מרוכבניתן לקבוע את התכונות המכניות והתכונות התרמופיזיקליות של חומרים מרוכבים C/C על ידי בחירה רציונלית של סוגי סיבים ופרמטרי אריגת בדים, כגון כיוון סידור צרורות החוטים, מרווח צרורות החוטים, תכולת נפח צרורות החוטים וכו'.

2) הכנת תבנית מקדימה מסיבי פחמן

קדם-צורה של סיבי פחמן מתייחס לחומר ריק המעוצב לצורה המבנית הנדרשת של הסיב בהתאם לצורת המוצר ולדרישות הביצועים על מנת לבצע את תהליך הצפיפות. ישנן שלוש שיטות עיבוד עיקריות לחלקים מבניים מעוצבים מראש: אריגה רכה, אריגה קשה ואריגה מעורבת רכה וקשה. תהליכי האריגה העיקריים הם: אריגת חוט יבש, סידור קבוצות מוטות ספוג מראש, ניקוב אריגה עדינה, ליפוף סיבים ואריגה כוללת תלת-ממדית רב-כיוונית. כיום, תהליך האריגה העיקרי המשמש בחומרים מרוכבים C הוא אריגה כוללת תלת-ממדית רב-כיוונית. במהלך תהליך האריגה, כל הסיבים הארוגים מסודרים בכיוון מסוים. כל סיב מוזז בזווית מסוימת לאורך הכיוון שלו ושזור זה בזה ליצירת בד. המאפיין שלו הוא שהוא יכול ליצור בד כולל תלת-ממדי רב-כיווני, שיכול לשלוט ביעילות בתכולת הנפח של הסיבים בכל כיוון של החומר המרוכב C/C, כך שהחומר המרוכב C/C יכול להפעיל תכונות מכניות סבירות בכל הכיוונים.

3) תהליך ציפוף C/C

מידת הצפיפות והיעילות מושפעות בעיקר ממבנה הבד ופרמטרי התהליך של חומר הבסיס. שיטות התהליך הנמצאות כיום בשימוש כוללות תהליך הספגה של פחמן, שקיעת אדים כימית (CVD), הסתננות אדים כימית (CVI), שקיעת נוזלים כימית, פירוליזה ושיטות אחרות. ישנם שני סוגים עיקריים של שיטות תהליך: תהליך הספגה של פחמן ותהליך הסתננות אדים כימית.

הספגה-קרבוניזציה של פאזה נוזלית

שיטת הספגה בפאזה נוזלית היא פשוטה יחסית מבחינת ציוד ויש לה תחולה רחבה, ולכן שיטת הספגה בפאזה נוזלית היא שיטה חשובה להכנת חומרים מרוכבים מסוג C/C. מטרתה היא לטבול את הפרפורם העשוי מסיבי פחמן בחומר ההספגה הנוזלי, ולגרום לחומר ההספגה לחדור במלואו לחללים של הפרפורם באמצעות הפעלת לחץ, ולאחר מכן באמצעות סדרה של תהליכים כמו ריפוי, קרבוניזציה וגרפיטיזציה, לבסוף מתקבל...חומרים מרוכבים C/Cהחיסרון שלו הוא שנדרשים מחזורי הספגה ופחמן חוזרים כדי להשיג את דרישות הצפיפות. ההרכב והמבנה של חומר ההספגה בשיטת הספגה בפאזה נוזלית חשובים מאוד. זה לא רק משפיע על יעילות הצפיפות, אלא גם משפיע על התכונות המכניות והפיזיקליות של המוצר. שיפור תפוקת הפחמן של חומר ההספגה והפחתת צמיגותו היו תמיד אחת הסוגיות המרכזיות שיש לפתור בהכנת חומרים מרוכבים C/C בשיטת הספגה בפאזה נוזלית. הצמיגות הגבוהה ותפוקת הפחמן הנמוכה של חומר ההספגה הן אחת הסיבות החשובות לעלות הגבוהה של חומרים מרוכבים C/C. שיפור ביצועי חומר ההספגה יכול לא רק לשפר את יעילות הייצור של חומרים מרוכבים C/C ולהפחית את עלותם, אלא גם לשפר את התכונות השונות של חומרים מרוכבים C/C. טיפול נוגד חמצון בחומרים מרוכבים C/C סיבי פחמן מתחילים להתחמצן ב-360 מעלות צלזיוס באוויר. סיבי גרפיט טובים מעט יותר מסיבי פחמן, וטמפרטורת החמצון שלהם מתחילה להתחמצן ב-420 מעלות צלזיוס. טמפרטורת החמצון של חומרים מרוכבים C/C היא כ-450 מעלות צלזיוס. חומרים מרוכבים C/C מתחמצנים בקלות רבה באווירה חמצונית בטמפרטורה גבוהה, וקצב החמצון עולה במהירות עם עליית הטמפרטורה. אם אין אמצעי נוגדי חמצון, שימוש ארוך טווח בחומרים מרוכבים C/C בסביבה חמצונית בטמפרטורה גבוהה יגרום בהכרח לתוצאות קטסטרופליות. לכן, טיפול נוגד החמצון בחומרים מרוכבים C/C הפך לחלק הכרחי מתהליך ההכנה שלהם. מנקודת מבט של טכנולוגיית נוגד החמצון, ניתן לחלק אותה לטכנולוגיית נוגד חמצון פנימית וטכנולוגיית ציפוי נוגד חמצון.

שלב אדים כימי

שיקוע אדים כימי (CVD או CVI) הוא שיקוע פחמן ישירות בנקבוביות של הפחמן הריק כדי להשיג את המטרה של מילוי הנקבוביות והגדלת הצפיפות. הפחמן המופקד קל לגרפיטיזציה, ויש לו תאימות פיזיקלית טובה עם הסיבים. הוא לא יתכווץ במהלך הקרבוניזציה מחדש כמו בשיטת ההספגה, והתכונות הפיזיקליות והמכניות של שיטה זו טובות יותר. עם זאת, במהלך תהליך ה-CVD, אם פחמן מופקד על פני השטח של הפחמן, זה ימנע מהגז להתפזר לתוך הנקבוביות הפנימיות. יש להסיר את הפחמן המופקד על פני השטח באופן מכני ולאחר מכן לבצע סבב שיקוע חדש. עבור מוצרים עבים, לשיטת ה-CVD יש גם קשיים מסוימים, ומחזור השיטה ארוך מאוד.