Quy trình chuẩn bị vật liệu composite sợi carbon

Tổng quan về vật liệu composite cacbon-cacbon

Vật liệu composite cacbon/cacbon (C/C)Đây là vật liệu composite gia cường bằng sợi carbon với một loạt các đặc tính tuyệt vời như độ bền và mô đun cao, trọng lượng riêng nhẹ, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, khả năng chống ăn mòn, chống sốc nhiệt, khả năng chống ma sát tốt và độ ổn định hóa học tốt. Đây là một loại vật liệu composite siêu chịu nhiệt độ cao mới.

Vật liệu composite C/CĐây là một vật liệu kỹ thuật tích hợp chức năng - cấu trúc nhiệt tuyệt vời. Giống như các vật liệu composite hiệu suất cao khác, nó là một cấu trúc composite bao gồm pha gia cường sợi và pha nền. Điểm khác biệt là cả pha gia cường và pha nền đều được cấu tạo từ carbon nguyên chất với các đặc tính đặc biệt.

Vật liệu composite cacbon/cacbonVật liệu composite carbon/carbon chủ yếu được làm từ nỉ carbon, vải carbon, sợi carbon làm chất gia cường và carbon lắng đọng hơi làm chất nền, nhưng chỉ có một thành phần duy nhất là carbon. Để tăng mật độ, carbon được tạo ra bằng quá trình cacbon hóa được tẩm với carbon hoặc tẩm với nhựa (hoặc nhựa đường), tức là vật liệu composite carbon/carbon được làm từ ba loại vật liệu carbon.

Quy trình sản xuất vật liệu composite carbon-carbon

1) Lựa chọn sợi carbon

Việc lựa chọn các bó sợi carbon và thiết kế cấu trúc của vải sợi là nền tảng cho quá trình sản xuất.Vật liệu composite C/CCác tính chất cơ học và tính chất nhiệt vật lý của vật liệu composite C/C có thể được xác định bằng cách lựa chọn hợp lý loại sợi và các thông số dệt vải, chẳng hạn như hướng sắp xếp bó sợi, khoảng cách giữa các bó sợi, hàm lượng thể tích bó sợi, v.v.

2) Chuẩn bị phôi sợi carbon

Vật liệu định hình sợi carbon là phôi được tạo hình thành cấu trúc sợi theo yêu cầu về hình dạng và hiệu năng của sản phẩm để thực hiện quá trình nén chặt. Có ba phương pháp gia công chính cho các bộ phận cấu trúc định hình: dệt mềm, dệt cứng và dệt hỗn hợp mềm cứng. Các quy trình dệt chính bao gồm: dệt sợi khô, sắp xếp nhóm thanh tẩm sẵn, dệt mịn bằng phương pháp đục lỗ, quấn sợi và dệt tổng thể đa hướng ba chiều. Hiện nay, quy trình dệt chính được sử dụng trong vật liệu composite C/C là dệt tổng thể đa hướng ba chiều. Trong quá trình dệt, tất cả các sợi dệt được sắp xếp theo một hướng nhất định. Mỗi sợi được lệch một góc nhất định dọc theo hướng của nó và đan xen với nhau để tạo thành vải. Đặc điểm của nó là có thể tạo thành vải tổng thể đa hướng ba chiều, có thể kiểm soát hiệu quả hàm lượng thể tích của sợi theo từng hướng của vật liệu composite C/C, nhờ đó vật liệu composite C/C có thể thể hiện các tính chất cơ học hợp lý theo mọi hướng.

3) Quá trình nén chặt C/C

Mức độ và hiệu quả của quá trình nén chặt chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vải và các thông số quy trình của vật liệu nền. Các phương pháp xử lý hiện đang được sử dụng bao gồm cacbon hóa bằng phương pháp tẩm, lắng đọng hơi hóa học (CVD), thẩm thấu hơi hóa học (CVI), lắng đọng lỏng hóa học, nhiệt phân và các phương pháp khác. Có hai loại phương pháp xử lý chính: phương pháp cacbon hóa bằng tẩm và phương pháp thẩm thấu hơi hóa học.

Quá trình tẩm-cacbon hóa pha lỏng

Phương pháp tẩm pha lỏng tương đối đơn giản về thiết bị và có tính ứng dụng rộng rãi, do đó phương pháp tẩm pha lỏng là một phương pháp quan trọng để chế tạo vật liệu composite C/C. Phương pháp này bao gồm việc nhúng phôi làm từ sợi carbon vào dung dịch tẩm, và ép dung dịch tẩm thấm hoàn toàn vào các lỗ rỗng của phôi bằng áp suất, sau đó trải qua một loạt các quá trình như đóng rắn, cacbon hóa và graphit hóa, cuối cùng thu được sản phẩm cuối cùng.Vật liệu composite C/CNhược điểm của phương pháp này là cần nhiều chu kỳ tẩm và cacbon hóa lặp lại để đạt được yêu cầu về mật độ. Thành phần và cấu trúc của chất tẩm trong phương pháp tẩm pha lỏng rất quan trọng. Nó không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả làm đặc mà còn ảnh hưởng đến các tính chất cơ học và vật lý của sản phẩm. Cải thiện hiệu suất cacbon hóa của chất tẩm và giảm độ nhớt của chất tẩm luôn là một trong những vấn đề then chốt cần giải quyết trong việc chế tạo vật liệu composite C/C bằng phương pháp tẩm pha lỏng. Độ nhớt cao và hiệu suất cacbon hóa thấp của chất tẩm là một trong những lý do quan trọng dẫn đến chi phí cao của vật liệu composite C/C. Cải thiện hiệu suất của chất tẩm không chỉ có thể nâng cao hiệu quả sản xuất vật liệu composite C/C và giảm chi phí mà còn cải thiện nhiều tính chất khác nhau của vật liệu composite C/C. Xử lý chống oxy hóa vật liệu composite C/C: Sợi carbon bắt đầu bị oxy hóa ở 360°C trong không khí. Sợi than chì có khả năng chống oxy hóa tốt hơn một chút so với sợi carbon, và nhiệt độ oxy hóa của nó bắt đầu ở 420°C. Nhiệt độ oxy hóa của vật liệu composite C/C vào khoảng 450°C. Vật liệu composite C/C rất dễ bị oxy hóa trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, và tốc độ oxy hóa tăng nhanh khi nhiệt độ tăng. Nếu không có biện pháp chống oxy hóa, việc sử dụng lâu dài vật liệu composite C/C trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao chắc chắn sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, xử lý chống oxy hóa vật liệu composite C/C đã trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình chế tạo. Từ góc độ công nghệ chống oxy hóa, nó có thể được chia thành công nghệ chống oxy hóa bên trong và công nghệ phủ lớp chống oxy hóa.

Pha hơi hóa học

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD hoặc CVI) là phương pháp lắng đọng carbon trực tiếp vào các lỗ rỗng của phôi để lấp đầy các lỗ rỗng và tăng mật độ. Carbon được lắng đọng dễ bị graphit hóa và có khả năng tương thích vật lý tốt với sợi. Nó sẽ không bị co lại trong quá trình tái cacbon hóa như phương pháp tẩm, và các tính chất vật lý và cơ học của phương pháp này tốt hơn. Tuy nhiên, trong quá trình CVD, nếu carbon lắng đọng trên bề mặt của phôi, nó sẽ ngăn cản khí khuếch tán vào các lỗ rỗng bên trong. Carbon lắng đọng trên bề mặt cần được loại bỏ bằng cơ học và sau đó cần thực hiện một chu kỳ lắng đọng mới. Đối với các sản phẩm dày, phương pháp CVD cũng gặp một số khó khăn nhất định, và chu kỳ của phương pháp này cũng rất dài.