Pregled ogljik-ogljikovih kompozitnih materialov
Kompozitni material ogljik/ogljik (C/C)je kompozitni material, ojačan z ogljikovimi vlakni, z vrsto odličnih lastnosti, kot so visoka trdnost in modul, majhna specifična teža, majhen koeficient toplotnega raztezanja, odpornost proti koroziji, odpornost proti toplotnim udarcem, dobra odpornost proti trenju in dobra kemična stabilnost. Je nova vrsta kompozitnega materiala za ultra visoke temperature.
kompozitni material C/Cje odličen toplotno-strukturno-funkcionalni integriran inženirski material. Tako kot drugi visokozmogljivi kompozitni materiali je kompozitna struktura, sestavljena iz vlakno ojačane faze in osnovne faze. Razlika je v tem, da sta tako ojačana kot osnovna faza sestavljeni iz čistega ogljika s posebnimi lastnostmi.
Ogljik/ogljikov kompozitni materialiV glavnem so izdelani iz ogljikovega filca, ogljikove tkanine, ogljikovih vlaken kot ojačitve in naparjenega ogljika kot matrice, vendar imajo le en element, in sicer ogljik. Za povečanje gostote se ogljik, ki nastane pri karbonizaciji, impregnira z ogljikom ali s smolo (ali asfaltom), kar pomeni, da so kompozitni materiali ogljik/ogljik izdelani iz treh ogljikovih materialov.
Postopek izdelave kompozitnih materialov ogljik-ogljik
1) Izbira ogljikovih vlaken
Izbira snopov ogljikovih vlaken in strukturna zasnova vlaknenih tkanin sta osnova za proizvodnjoC/C kompozitMehanske in termofizikalne lastnosti kompozitov C/C je mogoče določiti z racionalno izbiro vrst vlaken in parametrov tkanja tkanine, kot so orientacija razporeditve snopov preje, razmik med snopi preje, prostornina snopa preje itd.
2) Priprava predoblike iz ogljikovih vlaken
Predoblika iz ogljikovih vlaken se nanaša na surovec, ki se oblikuje v zahtevano strukturno obliko vlaken v skladu z zahtevami glede oblike in zmogljivosti izdelka, da se izvede postopek zgoščevanja. Obstajajo tri glavne metode obdelave predoblikovanih strukturnih delov: mehko tkanje, trdo tkanje in mešano mehko in trdo tkanje. Glavni postopki tkanja so: tkanje s suho prejo, razporeditev predhodno impregniranih skupin palic, fino tkanje s prebadanjem, navijanje vlaken in tridimenzionalno večsmerno celovito tkanje. Trenutno je glavni postopek tkanja, ki se uporablja pri kompozitnih materialih C, tridimenzionalno večsmerno celovito tkanje. Med postopkom tkanja so vsa tkana vlakna razporejena v določeni smeri. Vsako vlakno je zamaknjeno pod določenim kotom vzdolž svoje smeri in se prepleta med seboj, da tvori tkanino. Njegova značilnost je, da lahko tvori tridimenzionalno večsmerno celovito tkanino, ki lahko učinkovito nadzoruje volumsko vsebnost vlaken v vsaki smeri kompozitnega materiala C/C, tako da lahko kompozitni material C/C kaže razumne mehanske lastnosti v vseh smereh.
3) Postopek zgoščevanja C/C
Na stopnjo in učinkovitost zgoščevanja vplivata predvsem struktura tkanine in procesni parametri osnovnega materiala. Trenutno uporabljene procesne metode vključujejo impregnacijsko karbonizacijo, kemično nanašanje s paro (CVD), kemično infiltracijo s paro (CVI), kemično nanašanje s tekočino, pirolizo in druge metode. Obstajata dve glavni vrsti procesnih metod: postopek impregnacije s karbonizacijo in postopek kemične infiltracije s paro.
Impregnacija-karbonizacija v tekoči fazi
Metoda impregnacije s tekočo fazo je relativno preprosta za opremo in ima široko uporabnost, zato je metoda impregnacije s tekočo fazo pomembna metoda za pripravo kompozitnih materialov C/C. Gre za to, da se predoblika iz ogljikovih vlaken potopi v tekoči impregnant, kjer se impregnant s pritiskom popolnoma prodre v praznine predoblike, nato pa se z vrsto postopkov, kot so strjevanje, karbonizacija in grafitizacija, končno dobi...Kompozitni materiali C/CNjegova pomanjkljivost je, da so za doseganje zahtevane gostote potrebni ponavljajoči se cikli impregnacije in karbonizacije. Sestava in struktura impregnanta pri metodi impregnacije v tekoči fazi sta zelo pomembni. Ne vplivata le na učinkovitost zgoščevanja, temveč tudi na mehanske in fizikalne lastnosti izdelka. Izboljšanje izkoristka karbonizacije impregnanta in zmanjšanje viskoznosti impregnanta sta bila vedno ena ključnih vprašanj, ki jih je treba rešiti pri pripravi kompozitnih materialov C/C s metodo impregnacije v tekoči fazi. Visoka viskoznost in nizek izkoristek karbonizacije impregnanta sta eden od pomembnih razlogov za visoke stroške kompozitnih materialov C/C. Izboljšanje učinkovitosti impregnanta ne more le izboljšati proizvodne učinkovitosti kompozitnih materialov C/C in zmanjšati njihovih stroškov, temveč tudi izboljšati različne lastnosti kompozitnih materialov C/C. Antioksidacijska obdelava kompozitnih materialov C/C Ogljikova vlakna začnejo oksidirati pri 360 °C na zraku. Grafitna vlakna so nekoliko boljša od ogljikovih vlaken, njihova temperatura oksidacije pa začne oksidirati pri 420 °C. Oksidacijska temperatura kompozitnih materialov C/C je približno 450 °C. Kompozitni materiali C/C se v visokotemperaturni oksidativni atmosferi zelo enostavno oksidirajo, stopnja oksidacije pa se z naraščanjem temperature hitro poveča. Če ni ukrepov proti oksidaciji, bo dolgotrajna uporaba kompozitnih materialov C/C v visokotemperaturnem oksidativnem okolju neizogibno povzročila katastrofalne posledice. Zato je antioksidacijska obdelava kompozitnih materialov C/C postala nepogrešljiv del procesa njihove priprave. Z vidika antioksidacijske tehnologije jo lahko razdelimo na notranjo antioksidacijsko tehnologijo in tehnologijo antioksidacijskega premaza.
Kemična parna faza
Kemično nanašanje s paro (CVD ali CVI) je postopek, pri katerem se ogljik nanaša neposredno v pore surovca, da se doseže zapolnitev por in povečanje gostote. Nanešeni ogljik se zlahka grafitizira in ima dobro fizikalno združljivost z vlakni. Med ponovnim karboniziranjem se ne skrči kot pri impregnacijski metodi, fizikalne in mehanske lastnosti te metode pa so boljše. Če pa se med postopkom CVD ogljik nanese na površino surovca, to prepreči difuzijo plina v notranje pore. Ogljik, nanesen na površino, je treba mehansko odstraniti in nato izvesti nov krog nanašanja. Pri debelih izdelkih ima metoda CVD tudi določene težave, njen cikel pa je zelo dolg.
Čas objave: 31. dec. 2024