탄소섬유 복합재료의 제조 공정

탄소-탄소 복합재료 개요

탄소/탄소(C/C) 복합재료탄소섬유 강화 복합재료인 이 소재는 높은 강도와 ​​탄성률, 가벼운 비중, 낮은 열팽창 계수, 내식성, 내열충격성, 우수한 내마찰성 및 화학적 안정성 등 일련의 탁월한 특성을 지닌 새로운 유형의 초고온 복합재료입니다.

C/C 복합재료이 소재는 열 구조와 기능성이 뛰어난 통합 엔지니어링 소재입니다. 다른 고성능 복합 소재와 마찬가지로 섬유 강화상과 기본상으로 구성된 복합 구조입니다. 차이점은 강화상과 기본상 모두 특수한 성질을 지닌 순수 탄소로 이루어져 있다는 점입니다.

탄소/탄소 복합 재료탄소 복합재료는 주로 탄소 펠트, 탄소 직물, 탄소 섬유를 보강재로, 증착 탄소를 기지재로 사용하여 구성되지만, 구성 요소는 탄소 하나뿐입니다. 밀도를 높이기 위해 탄화 과정에서 생성된 탄소에 탄소를 함침시키거나 수지(또는 아스팔트)를 함침시키는데, 즉 탄소/탄소 복합재료는 세 가지 탄소 소재로 구성됩니다.

탄소-탄소 복합재료의 제조 공정

1) 탄소 섬유 선택

탄소 섬유 다발의 선택과 섬유 직물의 구조 설계는 제조의 기본입니다.C/C 복합재C/C 복합재료의 기계적 특성 및 열물리적 특성은 섬유 종류와 직조 매개변수(예: 실다발 배열 방향, 실다발 간격, 실다발 부피 함량 등)를 합리적으로 선택함으로써 결정할 수 있다.

2) 탄소 섬유 프리폼 준비

탄소 섬유 프리폼은 제품의 형상 및 성능 요구 사항에 따라 섬유를 필요한 구조적 형태로 성형하여 치밀화 공정을 수행하기 위한 원형을 말합니다. 프리폼 구조 부품의 가공 방법에는 크게 연직, 경직, 연직 및 경직 혼합 직조의 세 가지가 있습니다. 주요 직조 공정에는 건식사 직조, 프리프레그 로드 그룹 배열, 미세 직조 천공, 섬유 권선, 3차원 다방향 전체 직조 등이 있습니다. 현재 탄소 복합재료에 주로 사용되는 직조 공정은 3차원 다방향 전체 직조입니다. 이 직조 공정에서는 모든 섬유가 특정 방향으로 배열됩니다. 각 섬유는 자체 방향을 따라 특정 각도로 어긋나 서로 얽혀 직물을 형성합니다. 이 공정의 특징은 3차원 다방향 전체 직물을 형성할 수 있다는 점이며, 이를 통해 C/C 복합재료의 각 방향 섬유 부피 함량을 효과적으로 제어하여 C/C 복합재료가 모든 방향에서 적절한 기계적 특성을 발휘할 수 있도록 합니다.

3) C/C 밀도화 공정

치밀화 정도와 효율은 주로 직물 구조와 기본 재료의 공정 변수에 의해 영향을 받습니다. 현재 사용되는 공정 방법에는 함침 탄화, 화학 기상 증착(CVD), 화학 기상 침투(CVI), 화학 액체 증착, 열분해 등이 있습니다. 이러한 공정 방법에는 크게 함침 탄화 공정과 화학 기상 침투 공정의 두 가지 유형이 있습니다.

액상 함침-탄화

액상 함침법은 장비가 비교적 간단하고 적용 범위가 넓어 C/C 복합재료 제조에 중요한 방법으로 사용됩니다. 이 방법은 탄소섬유로 만들어진 프리폼을 액상 함침제에 담그고, 가압을 통해 함침제가 프리폼의 공극에 완전히 침투하도록 한 후, 경화, 탄화, 흑연화 등의 일련의 공정을 거쳐 최종적으로 재료를 얻는 것입니다.C/C 복합재료액상 함침법의 단점은 요구되는 밀도를 얻기 위해 반복적인 함침 및 탄화 사이클이 필요하다는 것입니다. 액상 함침법에서 함침제의 조성과 구조는 매우 중요합니다. 이는 치밀화 효율뿐만 아니라 제품의 기계적 및 물리적 특성에도 영향을 미칩니다. 함침제의 탄화 수율을 향상시키고 점도를 낮추는 것은 액상 함침법으로 C/C 복합재료를 제조할 때 해결해야 할 핵심 과제 중 하나입니다. 함침제의 높은 점도와 낮은 탄화 수율은 C/C 복합재료의 높은 비용의 주요 원인 중 하나입니다. 함침제의 성능을 향상시키면 C/C 복합재료의 생산 효율과 비용을 향상시킬 뿐만 아니라 C/C 복합재료의 다양한 특성도 개선할 수 있습니다. C/C 복합재료의 산화 방지 처리 탄소 섬유는 공기 중에서 360°C부터 산화되기 시작합니다. 흑연 섬유는 탄소 섬유보다 산화성이 약간 우수하며, 산화 시작 온도는 420°C입니다. C/C 복합재료의 산화 온도는 약 450°C입니다. C/C 복합재료는 고온 산화 분위기에서 산화가 매우 쉽게 발생하며, 온도가 상승함에 따라 산화 속도가 급격히 증가합니다. 산화 방지 조치가 없을 경우, 고온 산화 환경에서 C/C 복합재료를 장기간 사용하면 필연적으로 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 C/C 복합재료의 산화 방지 처리는 제조 공정에서 필수적인 부분이 되었습니다. 산화 방지 기술은 내부 산화 방지 기술과 산화 방지 코팅 기술로 나눌 수 있습니다.

화학 기상상

화학 기상 증착(CVD 또는 CVI)은 소재의 기공 내부에 탄소를 직접 증착하여 기공을 채우고 밀도를 높이는 방법입니다. 증착된 탄소는 흑연화가 용이하고 섬유와의 물리적 호환성이 우수합니다. 또한 함침법처럼 재탄화 과정에서 수축하지 않으며, 물리적 및 기계적 특성이 더 우수합니다. 그러나 CVD 공정 중 소재 표면에 탄소가 증착되면 가스가 내부 기공으로 확산되는 것을 방해할 수 있습니다. 따라서 표면에 증착된 탄소를 기계적으로 제거한 후 재증착을 진행해야 합니다. 두꺼운 제품의 경우 CVD 방법에는 몇 가지 어려움이 있으며, 공정 주기 또한 매우 깁니다.