Процесс получения композитных материалов из углеродного волокна

Обзор углеродно-углеродных композитных материалов

Композитный материал углерод/углерод (C/C)Это композитный материал, армированный углеродным волокном, обладающий рядом превосходных свойств, таких как высокая прочность и модуль упругости, малая удельная плотность, низкий коэффициент теплового расширения, коррозионная стойкость, термостойкость, хорошее сопротивление трению и хорошая химическая стабильность. Это новый тип сверхвысокотемпературного композитного материала.

Композитный материал C/CЭто превосходный теплоизоляционный, структурно-функциональный интегрированный конструкционный материал. Как и другие высокоэффективные композитные материалы, он представляет собой композитную структуру, состоящую из армированной волокнами фазы и основной фазы. Разница заключается в том, что как армирующая, так и основная фазы состоят из чистого углерода со специальными свойствами.

Композитные материалы из углерода/углеродаВ основном они изготавливаются из углеродного войлока, углеродной ткани, углеродного волокна в качестве армирующего материала и осажденного из паровой фазы углерода в качестве матрицы, но содержат только один элемент — углерод. Для увеличения плотности углерод, полученный в результате карбонизации, пропитывают углеродом или смолой (или асфальтом), то есть углеродно-углеродные композитные материалы состоят из трех углеродных материалов.

Процесс производства углеродно-углеродных композитных материалов

1) Выбор углеродного волокна

Выбор пучков углеродного волокна и структурная конструкция волокнистых тканей являются основой для производства.композит C/CМеханические и термофизические свойства композитов C/C могут быть определены путем рационального выбора типов волокон и параметров плетения ткани, таких как ориентация расположения пучков нитей, расстояние между пучками нитей, объемное содержание пучков нитей и т. д.

2) Подготовка заготовки из углеродного волокна

Заготовка из углеродного волокна представляет собой заготовку, которая формуется в требуемую структурную форму волокна в соответствии с формой изделия и требованиями к его характеристикам для проведения процесса уплотнения. Существует три основных метода обработки предварительно сформированных конструкционных деталей: мягкое плетение, жесткое плетение и смешанное мягкое и жесткое плетение. Основные процессы плетения: сухое плетение пряжи, предварительно пропитанное расположение групп стержней, тонкое плетение с проколом, намотка волокна и трехмерное многонаправленное сплошное плетение. В настоящее время основным процессом плетения, используемым в углеродных композитных материалах, является трехмерное многонаправленное сплошное плетение. В процессе плетения все плетеные волокна располагаются в определенном направлении. Каждое волокно смещается под определенным углом вдоль своего направления и переплетается друг с другом, образуя ткань. Ее особенность заключается в возможности формирования трехмерной многонаправленной сплошной ткани, что позволяет эффективно контролировать объемное содержание волокон в каждом направлении углеродно-углеродного композитного материала, благодаря чему углеродно-углеродный композитный материал обладает разумными механическими свойствами во всех направлениях.

3) Процесс уплотнения C/C

Степень и эффективность уплотнения в основном зависят от структуры ткани и параметров процесса обработки исходного материала. В настоящее время используются следующие методы обработки: пропиточная карбонизация, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), химическая инфильтрация из паровой фазы (CVI), химическое жидкостное осаждение, пиролиз и другие методы. Существует два основных типа методов обработки: пропиточная карбонизация и химическая инфильтрация из паровой фазы.

Жидкофазная пропитка-карбонизация

Метод жидкофазной пропитки относительно прост в оборудовании и имеет широкое применение, поэтому он является важным методом получения композитных материалов C/C. Суть метода заключается в погружении заготовки из углеродного волокна в жидкий пропиточный раствор, обеспечении полного проникновения пропиточного раствора в пустоты заготовки под давлением, а затем в проведении ряда процессов, таких как отверждение, карбонизация и графитизация, в результате чего получаются композитные материалы.композитные материалы C/CНедостатком этого метода является необходимость многократных циклов пропитки и карбонизации для достижения требуемой плотности. Состав и структура пропиточного материала при жидкофазной пропитке имеют очень важное значение. Это влияет не только на эффективность уплотнения, но и на механические и физические свойства продукта. Повышение выхода карбонизации пропиточного материала и снижение его вязкости всегда были одними из ключевых задач при получении композитных материалов C/C методом жидкофазной пропитки. Высокая вязкость и низкий выход карбонизации пропиточного материала являются одной из важных причин высокой стоимости композитных материалов C/C. Улучшение характеристик пропиточного материала позволяет не только повысить эффективность производства композитных материалов C/C и снизить их стоимость, но и улучшить различные свойства композитных материалов C/C. Антиоксидантная обработка композитных материалов C/C. Углеродное волокно начинает окисляться при температуре 360 °C на воздухе. Графитовое волокно немного лучше углеродного, и его температура окисления начинается при 420 °C. Температура окисления композитных материалов C/C составляет около 450 °C. Композитные материалы C/C очень легко окисляются в высокотемпературной окислительной атмосфере, и скорость окисления быстро возрастает с повышением температуры. Без мер по предотвращению окисления длительное использование композитных материалов C/C в высокотемпературной окислительной среде неизбежно приведет к катастрофическим последствиям. Поэтому антиокислительная обработка композитных материалов C/C стала неотъемлемой частью процесса их изготовления. С точки зрения технологии антиокислительной обработки, ее можно разделить на внутреннюю антиокислительную обработку и антиокислительное покрытие.

Химическая паровая фаза

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD или CVI) — это метод осаждения углерода непосредственно в поры заготовки с целью заполнения пор и увеличения плотности. Осажденный углерод легко графитизируется и обладает хорошей физической совместимостью с волокном. Он не сжимается при повторной карбонизации, в отличие от метода пропитки, и его физические и механические свойства лучше. Однако, если в процессе CVD углерод осаждается на поверхности заготовки, это препятствует диффузии газа во внутренние поры. Осажденный на поверхности углерод необходимо удалить механически, после чего следует провести новый цикл осаждения. Для толстых изделий метод CVD также имеет определенные трудности, и цикл этого метода очень длительный.