Processo de preparação de materiais compósitos de fibra de carbono

Visão geral dos materiais compósitos carbono-carbono

Material compósito carbono/carbono (C/C)É um material compósito reforçado com fibra de carbono que apresenta uma série de excelentes propriedades, como alta resistência e módulo de elasticidade, baixa densidade, baixo coeficiente de expansão térmica, resistência à corrosão, resistência ao choque térmico, boa resistência ao atrito e boa estabilidade química. Trata-se de um novo tipo de material compósito para temperaturas ultra-altas.

Material compósito C/CÉ um excelente material de engenharia com estrutura térmica e funcionalidade integradas. Assim como outros materiais compósitos de alto desempenho, possui uma estrutura composta por uma fase reforçada por fibras e uma fase base. A diferença reside no fato de que tanto a fase de reforço quanto a fase base são compostas de carbono puro com propriedades especiais.

Materiais compósitos de carbono/carbonoSão compostos principalmente de feltro de carbono, tecido de carbono, fibra de carbono como reforço e carbono depositado por vapor como matriz, mas possuem apenas um elemento: o carbono. Para aumentar a densidade, o carbono gerado pela carbonização é impregnado com carbono ou resina (ou asfalto), ou seja, os materiais compósitos carbono/carbono são feitos de três materiais de carbono.

Processo de fabricação de materiais compósitos carbono-carbono

1) Escolha da fibra de carbono

A seleção dos feixes de fibra de carbono e o projeto estrutural dos tecidos de fibra são a base para a fabricação.Compósito C/CAs propriedades mecânicas e termofísicas dos compósitos C/C podem ser determinadas pela seleção racional dos tipos de fibra e dos parâmetros de tecelagem do tecido, como a orientação do arranjo dos feixes de fios, o espaçamento entre os feixes de fios, o conteúdo volumétrico dos feixes de fios, etc.

2) Preparação da pré-forma de fibra de carbono

A pré-forma de fibra de carbono refere-se a um blank que é moldado no formato estrutural desejado, de acordo com o formato e os requisitos de desempenho do produto, para a realização do processo de densificação. Existem três métodos principais de processamento para peças estruturais pré-formadas: tecelagem macia, tecelagem rígida e tecelagem mista macia e rígida. Os principais processos de tecelagem são: tecelagem de fios secos, arranjo de grupos de hastes pré-impregnadas, perfuração de tecelagem fina, enrolamento de fibras e tecelagem tridimensional multidirecional. Atualmente, o principal processo de tecelagem utilizado em materiais compósitos de carbono é a tecelagem tridimensional multidirecional. Durante o processo de tecelagem, todas as fibras tecidas são dispostas em uma determinada direção. Cada fibra é deslocada em um certo ângulo ao longo de sua própria direção e entrelaçada com as outras para formar um tecido. Sua característica é a capacidade de formar um tecido tridimensional multidirecional, o que permite controlar efetivamente o teor de fibras em cada direção do material compósito C/C, de modo que o material compósito C/C possa apresentar propriedades mecânicas adequadas em todas as direções.

3) Processo de densificação C/C

O grau e a eficiência da densificação são afetados principalmente pela estrutura do tecido e pelos parâmetros do processo do material base. Os métodos de processamento atualmente utilizados incluem carbonização por impregnação, deposição química de vapor (CVD), infiltração química de vapor (CVI), deposição química em fase líquida, pirólise e outros. Existem dois tipos principais de métodos de processamento: o processo de carbonização por impregnação e o processo de infiltração química de vapor.

Impregnação em fase líquida-carbonização

O método de impregnação em fase líquida é relativamente simples em termos de equipamento e possui ampla aplicabilidade, sendo, portanto, um método importante para a preparação de materiais compósitos C/C. Consiste em imergir a pré-forma de fibra de carbono no impregnante líquido, permitindo que o impregnante penetre completamente nos poros da pré-forma por meio de pressurização. Em seguida, através de uma série de processos, como cura, carbonização e grafitização, obtém-se finalmente o material.Materiais compósitos C/CA desvantagem é que são necessários ciclos repetidos de impregnação e carbonização para atingir a densidade desejada. A composição e a estrutura do impregnante no método de impregnação em fase líquida são muito importantes. Elas afetam não apenas a eficiência da densificação, mas também as propriedades mecânicas e físicas do produto. Melhorar o rendimento de carbonização do impregnante e reduzir sua viscosidade sempre foram questões-chave a serem resolvidas na preparação de materiais compósitos C/C pelo método de impregnação em fase líquida. A alta viscosidade e o baixo rendimento de carbonização do impregnante são um dos principais motivos para o alto custo dos materiais compósitos C/C. Melhorar o desempenho do impregnante pode não apenas aumentar a eficiência da produção de materiais compósitos C/C e reduzir seus custos, mas também aprimorar diversas propriedades desses materiais. Tratamento antioxidante de materiais compósitos C/C: A fibra de carbono começa a oxidar a 360 °C no ar. A fibra de grafite apresenta um comportamento ligeiramente melhor que a fibra de carbono, com temperatura de oxidação inicial de 420 °C. A temperatura de oxidação dos materiais compósitos C/C é de aproximadamente 450 °C. Esses materiais oxidam-se com muita facilidade em atmosferas oxidantes de alta temperatura, e a taxa de oxidação aumenta rapidamente com o aumento da temperatura. Sem medidas antioxidantes, o uso prolongado de materiais compósitos C/C em ambientes oxidantes de alta temperatura inevitavelmente causará consequências catastróficas. Portanto, o tratamento antioxidante de materiais compósitos C/C tornou-se parte indispensável do seu processo de fabricação. Do ponto de vista da tecnologia antioxidante, ela pode ser dividida em tecnologia antioxidante interna e tecnologia de revestimento antioxidante.

Fase de vapor químico

A deposição química de vapor (CVD ou CVI) consiste em depositar carbono diretamente nos poros da peça bruta para preenchê-los e aumentar a densidade. O carbono depositado grafitiza facilmente e apresenta boa compatibilidade física com a fibra. Ao contrário do método de impregnação, ele não encolhe durante a recarbonização, e as propriedades físicas e mecânicas desse método são superiores. No entanto, durante o processo de CVD, se o carbono for depositado na superfície da peça bruta, impedirá a difusão do gás para os poros internos. O carbono depositado na superfície deve ser removido mecanicamente e uma nova deposição deve ser realizada. Para produtos espessos, o método CVD também apresenta certas dificuldades, e o ciclo de produção é bastante longo.