กระบวนการเตรียมวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

ภาพรวมของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอน

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน (C/C)เป็นวัสดุคอมโพสิตเสริมใยคาร์บอนที่มีคุณสมบัติยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งแรงและโมดูลัสสูง ความหนาแน่นต่ำ สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทนต่อแรงเสียดทานได้ดี และมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี จัดเป็นวัสดุคอมโพสิตชนิดใหม่ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ

วัสดุคอมโพสิต C/Cเป็นวัสดุวิศวกรรมแบบบูรณาการที่มีโครงสร้างและฟังก์ชันการทำงานทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม เช่นเดียวกับวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงอื่นๆ มันเป็นโครงสร้างคอมโพสิตที่ประกอบด้วยเฟสเสริมแรงด้วยเส้นใยและเฟสพื้นฐาน ความแตกต่างคือทั้งเฟสเสริมแรงและเฟสพื้นฐานประกอบด้วยคาร์บอนบริสุทธิ์ที่มีคุณสมบัติพิเศษ

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนโดยส่วนใหญ่แล้ว วัสดุเหล่านี้ทำจากแผ่นคาร์บอน ผ้าคาร์บอน และเส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุเสริมแรง และคาร์บอนที่ตกตะกอนด้วยไอระเหยเป็นวัสดุพื้นฐาน แต่มีองค์ประกอบเพียงอย่างเดียวคือคาร์บอน เพื่อเพิ่มความหนาแน่น คาร์บอนที่ได้จากกระบวนการคาร์บอนไนเซชันจะถูกผสมกับคาร์บอนหรือเรซิน (หรือแอสฟัลต์) กล่าวคือ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนนั้นทำจากวัสดุคาร์บอนสามชนิด

กระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอน

1) การเลือกใช้คาร์บอนไฟเบอร์

การเลือกใช้เส้นใยคาร์บอนและการออกแบบโครงสร้างของผ้าใยคาร์บอนเป็นพื้นฐานในการผลิตคอมโพสิต C/Cคุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุคอมโพสิต C/C สามารถกำหนดได้โดยการเลือกชนิดของเส้นใยและพารามิเตอร์การทอผ้าอย่างเหมาะสม เช่น ทิศทางการจัดเรียงของกลุ่มเส้นด้าย ระยะห่างระหว่างกลุ่มเส้นด้าย ปริมาณของกลุ่มเส้นด้าย เป็นต้น

2) การเตรียมชิ้นงานขึ้นรูปคาร์บอนไฟเบอร์

แผ่นขึ้นรูปคาร์บอนไฟเบอร์ หมายถึง ชิ้นงานที่ถูกขึ้นรูปให้มีโครงสร้างตามที่ต้องการของเส้นใยตามรูปทรงและคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ เพื่อใช้ในการกระบวนการอัดแน่น มีวิธีการแปรรูปหลัก 3 วิธีสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างขึ้นรูป ได้แก่ การทอแบบอ่อน การทอแบบแข็ง และการทอแบบผสมอ่อนและแข็ง กระบวนการทอหลัก ได้แก่ การทอเส้นใยแห้ง การจัดเรียงกลุ่มแท่งที่ชุบสารก่อน การเจาะรูทอละเอียด การม้วนเส้นใย และการทอแบบสามมิติหลายทิศทาง ปัจจุบัน กระบวนการทอหลักที่ใช้ในวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนคือการทอแบบสามมิติหลายทิศทาง ในระหว่างกระบวนการทอ เส้นใยที่ทอทั้งหมดจะถูกจัดเรียงในทิศทางที่กำหนด แต่ละเส้นใยจะเยื้องไปในมุมที่กำหนดตามทิศทางของตัวเองและทอเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นผ้า ลักษณะเด่นคือสามารถสร้างผ้าแบบสามมิติหลายทิศทางได้ ซึ่งสามารถควบคุมปริมาณเส้นใยในแต่ละทิศทางของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนมีคุณสมบัติทางกลที่เหมาะสมในทุกทิศทาง

3) กระบวนการเพิ่มความหนาแน่น C/C

ระดับและประสิทธิภาพของการเพิ่มความหนาแน่นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเนื้อผ้าและพารามิเตอร์ของกระบวนการของวัสดุพื้นฐาน วิธีการที่ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ การคาร์บอนไนเซชันแบบซึมซับ การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) การแทรกซึมด้วยไอสารเคมี (CVI) การตกตะกอนด้วยของเหลวสารเคมี การไพโรไลซิส และวิธีการอื่นๆ โดยมีวิธีการหลักสองประเภท ได้แก่ กระบวนการคาร์บอนไนเซชันแบบซึมซับและกระบวนการแทรกซึมด้วยไอสารเคมี

การอัดฉีดเฟสของเหลว-คาร์บอนไนเซชัน

วิธีการอัดฉีดของเหลวเป็นวิธีที่ค่อนข้างง่ายในด้านอุปกรณ์และมีประโยชน์ใช้สอยอย่างกว้างขวาง ดังนั้นวิธีการอัดฉีดของเหลวจึงเป็นวิธีการสำคัญในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต C/C โดยวิธีการคือการจุ่มชิ้นงานขึ้นรูปที่ทำจากเส้นใยคาร์บอนลงในของเหลวที่ใช้อัดฉีด และทำให้ของเหลวนั้นแทรกซึมเข้าไปในช่องว่างของชิ้นงานขึ้นรูปอย่างสมบูรณ์โดยใช้แรงดัน จากนั้นผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การบ่ม การทำให้เป็นคาร์บอน และการกราไฟต์ จนได้วัสดุที่ต้องการในที่สุดวัสดุคอมโพสิต C/Cข้อเสียของวิธีนี้คือต้องผ่านกระบวนการอัดฉีดและคาร์บอนไนเซชันซ้ำหลายรอบเพื่อให้ได้ความหนาแน่นตามที่ต้องการ องค์ประกอบและโครงสร้างของสารอัดฉีดในวิธีการอัดฉีดแบบเฟสของเหลวมีความสำคัญมาก ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการเพิ่มความหนาแน่นเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลและทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ด้วย การปรับปรุงผลผลิตคาร์บอนไนเซชันของสารอัดฉีดและการลดความหนืดของสารอัดฉีดเป็นหนึ่งในประเด็นสำคัญที่ต้องแก้ไขในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต C/C โดยวิธีการอัดฉีดแบบเฟสของเหลว ความหนืดสูงและผลผลิตคาร์บอนไนเซชันต่ำของสารอัดฉีดเป็นหนึ่งในสาเหตุสำคัญที่ทำให้วัสดุคอมโพสิต C/C มีต้นทุนสูง การปรับปรุงประสิทธิภาพของสารอัดฉีดไม่เพียงแต่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตวัสดุคอมโพสิต C/C และลดต้นทุนเท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุคอมโพสิต C/C ด้วย การบำบัดป้องกันการเกิดออกซิเดชันของวัสดุคอมโพสิต C/C เส้นใยคาร์บอนเริ่มเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 360°C ในอากาศ เส้นใยกราไฟต์ดีกว่าเส้นใยคาร์บอนเล็กน้อย โดยอุณหภูมิเริ่มเกิดออกซิเดชันอยู่ที่ 420°C ส่วนวัสดุคอมโพสิต C/C มีอุณหภูมิเริ่มเกิดออกซิเดชันประมาณ 450°C วัสดุคอมโพสิต C/C เกิดออกซิเดชันได้ง่ายมากในบรรยากาศออกซิเดชันที่มีอุณหภูมิสูง และอัตราการเกิดออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น หากไม่มีมาตรการป้องกันออกซิเดชัน การใช้งานวัสดุคอมโพสิต C/C ในสภาพแวดล้อมออกซิเดชันที่มีอุณหภูมิสูงเป็นเวลานานจะก่อให้เกิดผลเสียร้ายแรงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น การบำบัดป้องกันออกซิเดชันของวัสดุคอมโพสิต C/C จึงกลายเป็นส่วนสำคัญที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการผลิต จากมุมมองของเทคโนโลยีป้องกันออกซิเดชัน สามารถแบ่งออกเป็นเทคโนโลยีป้องกันออกซิเดชันภายในและเทคโนโลยีการเคลือบป้องกันออกซิเดชัน

เฟสไอเคมี

การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD หรือ CVI) คือการตกตะกอนคาร์บอนโดยตรงลงในรูพรุนของชิ้นงานเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ในการเติมเต็มรูพรุนและเพิ่มความหนาแน่น คาร์บอนที่ตกตะกอนนั้นง่ายต่อการเกิดกราไฟต์และมีความเข้ากันได้ทางกายภาพที่ดีกับเส้นใย จะไม่หดตัวระหว่างการคาร์บอนไนเซชันซ้ำเหมือนวิธีการชุบ และคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลของวิธีนี้ดีกว่า อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการ CVD หากคาร์บอนตกตะกอนบนพื้นผิวของชิ้นงาน มันจะขัดขวางการแพร่กระจายของก๊าซเข้าไปในรูพรุนภายใน คาร์บอนที่ตกตะกอนบนพื้นผิวจะต้องถูกกำจัดออกด้วยวิธีการทางกล แล้วจึงทำการตกตะกอนรอบใหม่ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนา วิธี CVD ก็มีข้อจำกัดบางประการ และวงจรของวิธีนี้ก็ยาวนานมากเช่นกัน