Karbon fiber kompozit malzemelerin hazırlama süreci

Karbon-Karbon Kompozit Malzemelerine Genel Bakış

Karbon/karbon (C/C) kompozit malzemeYüksek mukavemet ve modül, düşük özgül ağırlık, düşük termal genleşme katsayısı, korozyon direnci, termal şok direnci, iyi sürtünme direnci ve iyi kimyasal kararlılık gibi bir dizi mükemmel özelliğe sahip, karbon fiber takviyeli bir kompozit malzemedir. Yeni bir ultra yüksek sıcaklık kompozit malzeme türüdür.

C/C kompozit malzemeMükemmel bir termal yapı-fonksiyonel entegre mühendislik malzemesidir. Diğer yüksek performanslı kompozit malzemeler gibi, elyaf takviyeli bir faz ve temel bir fazdan oluşan kompozit bir yapıdır. Farkı ise hem takviyeli fazın hem de temel fazın özel özelliklere sahip saf karbondan oluşmasıdır.

Karbon/karbon kompozit malzemelerEsas olarak karbon keçe, karbon kumaş, takviye olarak karbon elyaf ve matris olarak buharla biriktirilmiş karbon kullanılarak üretilir, ancak yalnızca tek bir element içerir, o da karbondur. Yoğunluğu artırmak için, karbonizasyonla üretilen karbon, karbonla veya reçine (veya asfalt) ile emprenye edilir; yani, üç karbon malzemeden oluşan karbon/karbon kompozit malzemeler elde edilir.

Karbon-karbon kompozit malzemelerin üretim süreci

1) Karbon fiber seçimi

Karbon fiber demetlerinin seçimi ve fiber kumaşların yapısal tasarımı, üretimin temelini oluşturmaktadır.C/C kompozitC/C kompozitlerin mekanik ve termofiziksel özellikleri, elyaf tiplerinin ve iplik demeti düzenleme yönü, iplik demeti aralığı, iplik demeti hacim içeriği gibi kumaş dokuma parametrelerinin rasyonel bir şekilde seçilmesiyle belirlenebilir.

2) Karbon fiber ön kalıbın hazırlanması

Karbon fiber ön kalıp, yoğunlaştırma işlemini gerçekleştirmek için ürün şekli ve performans gereksinimlerine göre fiberin gerekli yapısal şekline dönüştürülen bir boşluk anlamına gelir. Ön kalıplı yapısal parçalar için üç ana işleme yöntemi vardır: yumuşak dokuma, sert dokuma ve yumuşak ve sert karışık dokuma. Ana dokuma işlemleri şunlardır: kuru iplik dokuma, önceden emprenye edilmiş çubuk grubu düzenlemesi, ince dokuma delme, fiber sarma ve üç boyutlu çok yönlü genel dokuma. Şu anda, C kompozit malzemelerde kullanılan ana dokuma işlemi üç boyutlu genel çok yönlü dokumadır. Dokuma işlemi sırasında, tüm dokunan fiberler belirli bir yönde düzenlenir. Her fiber kendi yönü boyunca belirli bir açıyla kaydırılır ve birbirleriyle iç içe geçerek bir kumaş oluşturur. Özelliği, üç boyutlu çok yönlü genel bir kumaş oluşturabilmesidir; bu da C/C kompozit malzemenin her yöndeki fiber hacim içeriğini etkili bir şekilde kontrol edebilmesini sağlar, böylece C/C kompozit malzeme tüm yönlerde makul mekanik özellikler gösterebilir.

3) C/C yoğunlaştırma süreci

Yoğunlaştırma derecesi ve verimliliği esas olarak kumaş yapısı ve temel malzemenin işlem parametrelerinden etkilenir. Günümüzde kullanılan işlem yöntemleri arasında emprenye karbonizasyonu, kimyasal buhar biriktirme (CVD), kimyasal buhar infiltrasyonu (CVI), kimyasal sıvı biriktirme, piroliz ve diğer yöntemler yer almaktadır. İki ana işlem yöntemi türü vardır: emprenye karbonizasyon işlemi ve kimyasal buhar infiltrasyonu işlemi.

Sıvı faz emdirme-karbonizasyon

Sıvı faz emdirme yöntemi, ekipman açısından nispeten basit ve geniş uygulama alanına sahip olduğundan, C/C kompozit malzemelerin hazırlanmasında önemli bir yöntemdir. Bu yöntemde, karbon fiberden yapılmış ön kalıp sıvı emdirme maddesine daldırılır ve basınç uygulanarak emdirme maddesinin ön kalıbın boşluklarına tamamen nüfuz etmesi sağlanır; daha sonra kürleme, karbonizasyon ve grafitizasyon gibi bir dizi işlemden geçirilerek nihayetinde kompozit malzeme elde edilir.C/C kompozit malzemelerDezavantajı, yoğunluk gereksinimlerini karşılamak için tekrarlanan emprenye ve karbonizasyon döngülerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı faz emprenye yönteminde emprenye malzemesinin bileşimi ve yapısı çok önemlidir. Sadece yoğunlaştırma verimliliğini değil, aynı zamanda ürünün mekanik ve fiziksel özelliklerini de etkiler. Emprenye malzemesinin karbonizasyon verimini artırmak ve viskozitesini azaltmak, sıvı faz emprenye yöntemiyle C/C kompozit malzemelerin hazırlanmasında her zaman çözülmesi gereken temel sorunlardan biri olmuştur. Emprenye malzemesinin yüksek viskozitesi ve düşük karbonizasyon verimi, C/C kompozit malzemelerin yüksek maliyetinin önemli nedenlerinden biridir. Emprenye malzemesinin performansının iyileştirilmesi, sadece C/C kompozit malzemelerin üretim verimliliğini artırmak ve maliyetlerini düşürmekle kalmaz, aynı zamanda C/C kompozit malzemelerin çeşitli özelliklerini de iyileştirir. C/C kompozit malzemelerin antioksidasyon işlemi: Karbon fiber, havada 360°C'de oksitlenmeye başlar. Grafit lifi, karbon lifinden biraz daha iyidir ve oksidasyon sıcaklığı 420°C'de oksitlenmeye başlar. C/C kompozit malzemelerin oksidasyon sıcaklığı yaklaşık 450°C'dir. C/C kompozit malzemeler, yüksek sıcaklıktaki oksitleyici ortamda çok kolay oksitlenir ve oksidasyon hızı sıcaklığın artmasıyla hızla artar. Antioksidasyon önlemleri alınmazsa, C/C kompozit malzemelerin yüksek sıcaklıktaki oksitleyici ortamda uzun süreli kullanımı kaçınılmaz olarak felaket sonuçlara yol açacaktır. Bu nedenle, C/C kompozit malzemelerin antioksidasyon işlemi, üretim sürecinin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Antioksidasyon teknolojisi açısından, iç antioksidasyon teknolojisi ve antioksidasyon kaplama teknolojisi olmak üzere ikiye ayrılabilir.

Kimyasal Buhar Fazı

Kimyasal buhar biriktirme (CVD veya CVI), gözenekleri doldurmak ve yoğunluğu artırmak amacıyla karbonu doğrudan ham maddenin gözeneklerine biriktirme yöntemidir. Biriktirilen karbon kolayca grafitlenir ve lifle iyi fiziksel uyumluluğa sahiptir. Emprenye yönteminde olduğu gibi yeniden karbonizasyon sırasında büzülmez ve bu yöntemin fiziksel ve mekanik özellikleri daha iyidir. Bununla birlikte, CVD işlemi sırasında karbon ham maddenin yüzeyine biriktirilirse, gazın iç gözeneklere yayılmasını engelleyebilir. Yüzeye biriktirilen karbon mekanik olarak uzaklaştırılmalı ve ardından yeni bir biriktirme işlemi yapılmalıdır. Kalın ürünler için CVD yönteminin de bazı zorlukları vardır ve bu yöntemin döngüsü de çok uzundur.