Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym

Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym są materiałami kompozytowymi utworzonymi przy użyciu włókien węglowych lub tkaniny z włókna węglowego jako zbrojenia i żywicy, ceramiki, metalu, cementu, węgla lub gumy jako matrycy. Spośród wielu lekkich materiałów mają one wyższą wytrzymałość specyficzną i specyficzną sztywność, a lekka efekt jest bardzo oczywisty. Są szeroko stosowane w produktach lotniczych i wojskowych. Efekt redukcji masy jest szczególnie oczywisty, gdy jest stosowany w częściach konstrukcyjnych ciała pojazdu. Są 50% lżejsze niż materiały stalowe i 30% lżejsze niż materiały aluminiowe. Dlatego przyciągnęli powszechną uwagę głównych krajowych i zagranicznych firm samochodowych.

Charakterystyczny

Właściwości materiałów kompozytowych węglowych przejawiają się głównie w trzech aspektach: właściwości mechaniczne, właściwości termofysowe i właściwości ablacji termicznej.

(1) Niska gęstość (około 1,7 g/cm3). Jest to najlżejszy materiał w strukturach, które wytrzymują wysokie temperatury. Ma dobrą siłę w wysokiej temperaturze i może zachować siłę temperatury pokojowej przy 2200 ℃. Ma wysoką wytrzymałość złamania, odporność na zmęczenie i odporność na pełzanie. Ponadto jego wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości są wyższe niż w przypadku ogólnych materiałów węglowych. Orientacja włókien znacznie wpływa na wytrzymałość materiału. Po poddaniu się stresu, jego krzywa naprężenia-odkształcenia wykazuje „efekt pseudoplastyczny”, to znaczy jest liniowy na początku zastosowania obciążenia, a następnie staje się relacją dwustronną. Po rozładowaniu i ponownym załadowaniu krzywa pozostaje liniowa i może osiągnąć pierwotny poziom obciążenia.

2. Ma mały współczynnik rozszerzania cieplnego, wysoka pojemność cieplna, może przechowywać dużą ilość energii cieplnej, ma niską przewodność cieplną i ma doskonałą odporność na wstrząs cieplny i tarcie termiczne.
3. Ma dobrą odporność na ablację termiczną. Odporność na ablację termiczną jest zjawiskiem utraty powierzchniowych materiałów stałych spowodowanych procesami termochemicznymi i mechanicznymi pod działaniem przepływu ciepła. Duża ilość ciepła jest pobierana przez ablację materiału powierzchniowego, co może zapobiec napływowi ciepła do materiału. Materiał CC jest materiałem typu sublimacji.

Zastosowanie materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym

Doskonałe właściwości mechaniczne i termiczne materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym sprawiają, że jest szeroko stosowany w reaktorach jądrowych, stałych dyszach rakiet, wymiennikach ciepła i dyskach hamulcowych [2]. Wydajność ablacji termicznej materiałów CC jest szeroko stosowana w ablacyjnych materiałach ochrony ciepła. Na przykład może być stosowany w podszewkach do gardła rakietowej i stożkach nosa pocisku dalekiego zasięgu; Po drugie, może być stosowany jako płytki elektrody w przemyśle elektronicznym i elektrycznym oraz jako sztuczne ciała zastawki serca w zastosowaniach medycznych.

Zasada złożona

Wykorzystuje włókno węglowe lub tkaninę z włókna węglowego jako wzmocnienie oraz żywicę węglową lub graficzną jako matrycę.

Ten materiał kompozytowy wykazuje doskonałą wytrzymałość w wysokiej temperaturze, stabilną morfologię w wysokich temperaturach, wysoką temperaturę sublimacji i doskonałą oporność na depresję oporną na ablację. Ma również wysoką wytrzymałość i sztywność równolegle do kierunku zbrojenia, opiera się propagacji pęknięć, zapewnia tłumienie wibracji i jest odporne na promieniowanie.

Metody przetwarzania

Technologia formowania i przetwarzania kompozytów węglowych obejmuje wytwarzanie pustych śladów z włókna węglowego, produkcję macierzy węglowej oraz kompozycję matrycy i włókien.

Po pierwsze, włókna węglowe lub tkaniny z włókna węglowego są tworzone w puste miejsca. W zależności od postaci surowca te puste miejsca są podzielone na: długie kręcenie światłowodu; węgiel odczuwa się krótkie formowanie włókien lub formowanie wtryskowe; i laminowanie tkaniny grafitowej. Obecnie puste miejsca są opracowywane przede wszystkim przy użyciu tkanin trójosiowych. Tkaniny te są ułożone ortogonalnie w 90 ° w kierunku X, Y i Z. Włókna węglowe w każdym kierunku są wyrównane w tkaninie, skutecznie wykorzystując właściwości mechaniczne włókien.

Po drugie, przygotowano macierz złożoną. Matryce kompozytowe z węglem węglowym występują w dwóch typach: węgla żywicy i węgla pirolitycznego. Węgiel żywicy uzyskuje się przez karbonizowanie i grafityzowanie syntetycznych żywic lub asfaltu, podczas gdy węgiel pirolityczny uzyskuje się przez odkładanie pary gazów węglowodorowych.

Wreszcie puste i matryca są komponowane i uformowane.

Istnieją dwie metody.

Najpierw stopiony skok, pochodzący z nafty i ropy naftowej, jest impregnowany w strukturalne szczeliny ślepej włókna węglowego pod ciepłem i ciśnieniem, a następnie pirolizy. Cykle impregnacji i pirolizy są powtarzane, aż materiał kompozytowy osiągnie pożądaną gęstość.

Po drugie, pirolityczny grafit o wysokiej wytrzymałości powstaje na gorącym podłożu przy użyciu osadzania chemicznego fazy pary.

Technologia przetwarzania

Tradycyjne procesy Istnieje wiele procesów formowania tradycyjnych materiałów kompozytowych z włókna węglowego, takich jak formowanie wtryskowe, formowanie ręczne, formowanie uzwojenia i formowanie kompresyjne. Procesy te są szeroko stosowane w kompozytowych częściach samochodowych z włókna węglowego, takich jak proces formowania ręcznego układu samochodu sportowego, proces formowania wtrysku górnego ciężarówki, procesu formowania krętowania światłowodowego dla wysokiego ciśnienia cylindrów gazowych do samochodów pasażerskich oraz proces formowania kompresji dla pickupu. [3] Proces formowania żywicy Tradycyjne procesy formowania mają ogólnie niską wydajność produkcji, długie cykle produkcyjne, złe środowiska pracy i często nie nadają się do masowej produkcji. Obecnie proces formowania formowania żywicy (RTM) zyskał coraz większą uwagę. Proces RTM jest powszechnie stosowanym procesem formowania materiałów kompozytowych. Proces ten polega na umieszczeniu materiału wzmacniającego włókno lub preformacji w zamkniętej jamie pleśni, wstrzyknięcie cieczy żywicy do wnęki formy pod ciśnieniem, moczenie włókien lub preform, a następnie zestalenie i zdemotowanie uformowanego produktu. Proces ten charakteryzuje się jego zdolnością do wytwarzania produktów o gładkich powierzchniach po obu stronach i wysokiej wydajności formowania, dzięki czemu nadaje się do produkcji kompozytowej z kompozytem na średnią skalę (roczna wydajność od 20 000 do 50 000 sztuk). Jest to technologia formowania w zamkniętej filmie, przyjazna dla środowiska i pozwala na elastyczne umieszczenie wzmocnień w oparciu o warunki obciążenia produktu. Wymagając minimalnych inwestycji w sprzęt produkcyjny, reprezentuje tanią, wysokowydajną technologię formowania kompozytowego, szczególnie odpowiednią do małej partii, wysokiej zawartości produkcji motoryzacyjnych paneli strukturalnych i ciała. Został powszechnie przyjęty na arenie międzynarodowej.

Formowanie przenoszące żywicę wspomagane próżniowo i formowanie wlewu żywicy

Technologia RTM doświadczyła szybkiego rozwoju na arenie międzynarodowej, a nowe metody formowania nieustannie pojawiają się. Formowanie przesyłania żywicy wspomaganej próżniowo (Vartm) i Siemens Composites Composites Forming wlewu żywicy (SCRIP) są obecnie najczęściej stosowanymi i reprezentatywnymi pochodnymi. Te dwie technologie formowania wykorzystują impregnację ciśnienia wspomaganego próżniowo, umożliwiając szybsze, bardziej jednolite impregnacja wzmocnień włókien na szerszym obszarze, co powoduje bardziej stabilną i lepszą jakość produktu. Wlew żywicy wspomagany próżniowo (VILI) to nowa, tani technologia formowania dla dużych części kompozytowych. Usuwa gaz ze wzmocnienia włókien pod próżnią, wykorzystując przepływ i penetrację żywicy do impregnowania włókien i tkaniny, a następnie leczy w temperaturze pokojowej w celu utworzenia materiału wzmocnionego włóknem. Vari jest wysoce skuteczną metodą formowania dla dużych, grubych części kompozytowych. Konwencjonalne procesy formowania kompozytowego utrudniają wybór dużych form, co sprawia, że ​​produkcja jest szczególnie trudna, szczególnie w przypadku grubych komponentów motoryzacyjnych. W porównaniu z tradycyjnymi procesami, proces formowania Vari eliminuje potrzebę autoklawów, leczy w temperaturze pokojowej i może być stosowany w wyższych temperaturach po przetwarzaniu, takich jak przycinanie i opryskiwanie powierzchni. Tworzy również części o niższej zawartości pustki, lepszą wydajność i wyższą zawartość światłowodów niż metody układania ręki.

Rozwijać

Obecnie opracowanie kompozytów węglowych węglowych opiera się na badaniach i rozwoju nowych procesów i sprzętu, dążąc do obniżenia kosztów produkcji i znalezienia sposobów przezwyciężenia nieodłącznych niedociągnięć. Na przykład kompozyty węglowe mają słabe właściwości przeciwutleniające. Obecne metody poprawy tego obejmują dodawanie przeciwutleniaczy podczas impregnacji żywicy i dodawanie innych elementów przeciwutleniających podczas osadzania pary. Kompozyty węglowe-węgiel mają również inne nieodłączne niedociągnięcia, takie jak długie cykle przetwarzania, zła plastyczność i wysokie koszty. Te niedociągnięcia zostaną rozwiązane w przyszłych wydarzeniach.