Procesul de preparare a materialelor compozite din fibră de carbon

Prezentare generală a materialelor compozite carbon-carbon

Material compozit carbon/carbon (C/C)este un material compozit armat cu fibră de carbon cu o serie de proprietăți excelente, cum ar fi rezistență și modul de elasticitate ridicate, greutate specifică mică, coeficient de dilatare termică mic, rezistență la coroziune, rezistență la șocuri termice, rezistență bună la frecare și stabilitate chimică bună. Este un nou tip de material compozit pentru temperaturi ultra-înalte.

Material compozit C/Ceste un material ingineresc excelent, integrat din punct de vedere termic și funcțional. La fel ca alte materiale compozite de înaltă performanță, este o structură compozită compusă dintr-o fază armată cu fibre și o fază bazică. Diferența constă în faptul că atât faza armată, cât și faza bazică sunt compuse din carbon pur cu proprietăți speciale.

Materiale compozite carbon/carbonsunt fabricate în principal din pâslă de carbon, țesătură de carbon, fibră de carbon ca armătură și carbon depus în stare de vapori ca matrice, dar au un singur element, și anume carbonul. Pentru a crește densitatea, carbonul generat prin carbonizare este impregnat cu carbon sau impregnat cu rășină (sau asfalt), adică materialele compozite carbon/carbon sunt fabricate din trei materiale de carbon.

Procesul de fabricație a materialelor compozite carbon-carbon

1) Alegerea fibrei de carbon

Selecția fasciculelor de fibre de carbon și designul structural al țesăturilor din fibre stau la baza fabricațieiCompozit C/CProprietățile mecanice și termofizice ale compozitelor C/C pot fi determinate prin selectarea rațională a tipurilor de fibre și a parametrilor de țesere a țesăturii, cum ar fi orientarea aranjamentului fasciculului de fire, distanța dintre fasciculele de fire, conținutul volumului fasciculului de fire etc.

2) Prepararea preformei din fibră de carbon

Preforma din fibră de carbon se referă la un semifabricat care este format în forma structurală necesară a fibrei în funcție de forma produsului și cerințele de performanță, pentru a realiza procesul de densificare. Există trei metode principale de procesare pentru piesele structurale preformate: țesere moale, țesere dură și țesere mixtă moale și dură. Principalele procese de țesere sunt: ​​țeserea firelor uscate, aranjamentul grupurilor de tije pre-impregnate, perforarea fină a țeserii, înfășurarea fibrelor și țeserea tridimensională multidirecțională. În prezent, principalul proces de țesere utilizat în materialele compozite C este țeserea tridimensională multidirecțională. În timpul procesului de țesere, toate fibrele țesute sunt aranjate într-o anumită direcție. Fiecare fibră este decalata la un anumit unghi de-a lungul propriei direcții și împletită pentru a forma o țesătură. Caracteristica sa este că poate forma o țesătură tridimensională multidirecțională, care poate controla eficient conținutul volumului de fibre în fiecare direcție a materialului compozit C/C, astfel încât materialul compozit C/C să poată exercita proprietăți mecanice rezonabile în toate direcțiile.

3) Procesul de densificare C/C

Gradul și eficiența densificării sunt afectate în principal de structura țesăturii și de parametrii de proces ai materialului de bază. Metodele de proces utilizate în prezent includ carbonizarea prin impregnare, depunerea chimică de vapori (CVD), infiltrarea chimică de vapori (CVI), depunerea chimică de lichide, piroliza și alte metode. Există două tipuri principale de metode de proces: procesul de carbonizare prin impregnare și procesul de infiltrare chimică de vapori.

Impregnare-carbonizare în fază lichidă

Metoda de impregnare în fază lichidă este relativ simplă ca echipament și are o aplicabilitate largă, așadar metoda de impregnare în fază lichidă este o metodă importantă pentru prepararea materialelor compozite C/C. Constă în imersarea preformei din fibră de carbon în impregnantul lichid și în faptul că impregnantul pătrunde complet în golurile preformei prin presurizare, iar apoi, printr-o serie de procese precum întărirea, carbonizarea și grafitizarea, se obține în final...Materiale compozite C/CDezavantajul său este că necesită cicluri repetate de impregnare și carbonizare pentru a atinge cerințele de densitate. Compoziția și structura impregnantului în metoda de impregnare în fază lichidă sunt foarte importante. Nu numai că afectează eficiența densificării, dar afectează și proprietățile mecanice și fizice ale produsului. Îmbunătățirea randamentului de carbonizare al impregnantului și reducerea vâscozității impregnantului au fost întotdeauna una dintre problemele cheie care trebuie rezolvate în prepararea materialelor compozite C/C prin metoda de impregnare în fază lichidă. Vâscozitatea ridicată și randamentul scăzut de carbonizare al impregnantului sunt unul dintre motivele importante ale costului ridicat al materialelor compozite C/C. Îmbunătățirea performanței impregnantului nu numai că poate îmbunătăți eficiența producției de materiale compozite C/C și poate reduce costul acestora, dar poate îmbunătăți și diversele proprietăți ale materialelor compozite C/C. Tratamentul antioxidant al materialelor compozite C/C Fibra de carbon începe să se oxideze la 360°C în aer. Fibra de grafit este puțin mai bună decât fibra de carbon, iar temperatura sa de oxidare începe să se oxideze la 420°C. Temperatura de oxidare a materialelor compozite C/C este de aproximativ 450°C. Materialele compozite C/C se oxidează foarte ușor într-o atmosferă oxidativă la temperatură ridicată, iar rata de oxidare crește rapid odată cu creșterea temperaturii. Dacă nu există măsuri antioxidante, utilizarea pe termen lung a materialelor compozite C/C într-un mediu oxidativ la temperatură ridicată va avea inevitabil consecințe catastrofale. Prin urmare, tratamentul antioxidant al materialelor compozite C/C a devenit o parte indispensabilă a procesului de preparare a acestora. Din perspectiva tehnologiei antioxidante, aceasta poate fi împărțită în tehnologie antioxidantă internă și tehnologie de acoperire antioxidantă.

Fază chimică de vapori

Depunerea chimică în fază de vapori (CVD sau CVI) constă în depunerea carbonului direct în porii semifabricatului pentru a atinge scopul de a umple porii și de a crește densitatea. Carbonul depus este ușor de grafitizat și are o bună compatibilitate fizică cu fibra. Nu se va contracta în timpul recarbonizării, așa cum se întâmplă în cazul metodei de impregnare, iar proprietățile fizice și mecanice ale acestei metode sunt mai bune. Cu toate acestea, în timpul procesului CVD, dacă carbonul este depus pe suprafața semifabricatului, acesta va împiedica difuzia gazului în porii interni. Carbonul depus la suprafață trebuie îndepărtat mecanic și apoi trebuie efectuată o nouă rundă de depunere. Pentru produsele groase, metoda CVD prezintă, de asemenea, anumite dificultăți, iar ciclul acestei metode este, de asemenea, foarte lung.