Proces prípravy kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien

Prehľad uhlíkovo-uhlíkových kompozitných materiálov

Kompozitný materiál uhlík/uhlík (C/C)je kompozitný materiál vystužený uhlíkovými vláknami s radom vynikajúcich vlastností, ako je vysoká pevnosť a modul pružnosti, nízka špecifická hmotnosť, malý koeficient tepelnej rozťažnosti, odolnosť voči korózii, odolnosť voči tepelným nárazom, dobrá odolnosť voči treniu a dobrá chemická stabilita. Je to nový typ kompozitného materiálu odolného voči ultravysokým teplotám.

kompozitný materiál C/Cje vynikajúci tepelne-štruktúrne-funkčný integrovaný technický materiál. Podobne ako iné vysokovýkonné kompozitné materiály, aj tento má kompozitnú štruktúru zloženú z fázy vystuženej vláknami a základnej fázy. Rozdiel je v tom, že vystužená aj základná fáza sú zložené z čistého uhlíka so špeciálnymi vlastnosťami.

Uhlík/uhlíkové kompozitné materiályVyrábajú sa prevažne z uhlíkovej plsti, uhlíkovej tkaniny, uhlíkových vlákien ako výstuže a naparovaného uhlíka ako matrice, ale majú iba jeden prvok, ktorým je uhlík. Na zvýšenie hustoty sa uhlík vytvorený karbonizáciou impregnuje uhlíkom alebo živicou (alebo asfaltom), to znamená, že kompozitné materiály uhlík/uhlík sú vyrobené z troch uhlíkových materiálov.

Výrobný proces kompozitných materiálov uhlík-uhlík

1) Výber uhlíkových vlákien

Výber zväzkov uhlíkových vlákien a konštrukčný návrh vláknitých tkanín sú základom pre výrobuC/C kompozitMechanické vlastnosti a termofyzikálne vlastnosti kompozitov C/C možno určiť racionálnym výberom typov vlákien a parametrov tkania tkaniny, ako je orientácia usporiadania zväzkov priadze, rozostup zväzkov priadze, objemový obsah zväzku priadze atď.

2) Príprava predlisku z uhlíkových vlákien

Predlisok z uhlíkových vlákien označuje polotovar, ktorý sa tvaruje do požadovaného štrukturálneho tvaru vlákna podľa požiadaviek na tvar a výkonnosť výrobku, aby sa vykonal proces zhutňovania. Existujú tri hlavné metódy spracovania predlisovaných štrukturálnych dielov: mäkké tkanie, tvrdé tkanie a zmiešané mäkké a tvrdé tkanie. Hlavné procesy tkania sú: tkanie suchou priadzou, usporiadanie predimpregnovaných skupín tyčí, jemné tkanie s prepichovaním, navíjanie vlákien a trojrozmerné viacsmerové celkové tkanie. V súčasnosti je hlavným procesom tkania používaným v kompozitných materiáloch C trojrozmerné viacsmerové celkové tkanie. Počas procesu tkania sú všetky tkané vlákna usporiadané v určitom smere. Každé vlákno je posunuté v určitom uhle pozdĺž svojho vlastného smeru a navzájom sa prepletá, čím vytvára tkaninu. Jeho charakteristickým znakom je, že dokáže vytvoriť trojrozmernú viacsmerovú celkovú tkaninu, ktorá dokáže účinne kontrolovať objemový obsah vlákien v každom smere kompozitného materiálu C/C, takže kompozitný materiál C/C môže mať primerané mechanické vlastnosti vo všetkých smeroch.

3) Proces zhutňovania C/C

Stupeň a účinnosť zhutňovania sú ovplyvnené najmä štruktúrou tkaniny a procesnými parametrami základného materiálu. Medzi v súčasnosti používané procesné metódy patrí impregnačná karbonizácia, chemické nanášanie z pár (CVD), chemická infiltrácia z pár (CVI), chemické nanášanie z kvapalín, pyrolýza a ďalšie metódy. Existujú dva hlavné typy procesných metód: proces impregnačnej karbonizácie a proces chemickej infiltrácie z pár.

Impregnácia-karbonizácia v kvapalnej fáze

Metóda impregnácie v kvapalnej fáze je relatívne jednoduchá na vybavenie a má široké uplatnenie, takže metóda impregnácie v kvapalnej fáze je dôležitou metódou na prípravu kompozitných materiálov C/C. Spočíva v ponorení predlisku vyrobeného z uhlíkových vlákien do kvapalného impregnačného prostriedku, ktorý sa pod tlakom úplne vstrebe do dutín predlisku a potom sa pomocou série procesov, ako je vytvrdzovanie, karbonizácia a grafitizácia, nakoniec získa...kompozitné materiály C/CJeho nevýhodou je, že na dosiahnutie požadovanej hustoty sú potrebné opakované cykly impregnácie a karbonizácie. Zloženie a štruktúra impregnačného prostriedku pri metóde impregnácie v kvapalnej fáze sú veľmi dôležité. Ovplyvňujú nielen účinnosť zhutňovania, ale aj mechanické a fyzikálne vlastnosti produktu. Zlepšenie výťažku karbonizácie impregnačného prostriedku a zníženie viskozity impregnačného prostriedku boli vždy jedným z kľúčových problémov, ktoré bolo potrebné vyriešiť pri príprave kompozitných materiálov C/C metódou impregnácie v kvapalnej fáze. Vysoká viskozita a nízky výťažok karbonizácie impregnačného prostriedku sú jedným z dôležitých dôvodov vysokých nákladov na kompozitné materiály C/C. Zlepšenie výkonu impregnačného prostriedku môže nielen zlepšiť efektivitu výroby kompozitných materiálov C/C a znížiť ich náklady, ale aj zlepšiť rôzne vlastnosti kompozitných materiálov C/C. Antioxidačná úprava kompozitných materiálov C/C Uhlíkové vlákno začína oxidovať pri 360 °C na vzduchu. Grafitové vlákno je o niečo lepšie ako uhlíkové vlákno a jeho oxidačná teplota začína oxidovať pri 420 °C. Oxidácia kompozitných materiálov C/C je približne 450 °C. Kompozitné materiály C/C sa veľmi ľahko oxidujú vo vysokoteplotnej oxidačnej atmosfére a rýchlosť oxidácie sa so zvyšujúcou sa teplotou rýchlo zvyšuje. Ak sa neprijmú antioxidačné opatrenia, dlhodobé používanie kompozitných materiálov C/C vo vysokoteplotnom oxidačnom prostredí nevyhnutne povedie ku katastrofickým následkom. Preto sa antioxidačná úprava kompozitných materiálov C/C stala neoddeliteľnou súčasťou ich výrobného procesu. Z hľadiska antioxidačnej technológie ju možno rozdeliť na technológiu vnútornej antioxidácie a technológiu antioxidačného náteru.

Chemická plynná fáza

Chemické nanášanie z pár (CVD alebo CVI) spočíva v priamom nanášaní uhlíka do pórov polotovaru, čím sa dosiahne ich vyplnenie a zvýšenie hustoty. Nanesený uhlík sa ľahko grafitizuje a má dobrú fyzikálnu kompatibilitu s vláknom. Počas rekarbonizácie sa nezmršťuje ako pri impregnačnej metóde a fyzikálne a mechanické vlastnosti tejto metódy sú lepšie. Avšak počas procesu CVD, ak sa uhlík nanesie na povrch polotovaru, zabráni sa difúzii plynu do vnútorných pórov. Uhlík nanesený na povrchu by sa mal mechanicky odstrániť a potom by sa malo vykonať nové kolo nanášania. Pri hrubých výrobkoch má metóda CVD určité ťažkosti a cyklus tejto metódy je tiež veľmi dlhý.