CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Công nghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon
Hiện nay có ba phƣơng pháp chính chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon: ngƣng tụ cacbon từ thể khí vào phơi cốt sợi (phƣơng pháp pha khí); tẩm nhựa lên phơi cốt sợi, sau đó cacbon hóa (phƣơng pháp pha lỏng); kết hợp giữa tẩm nhựa và cacbon hóa với ngƣng tụ cacbon từ thể khí (phƣơng pháp kết hợp). Hình 1.15 là sơ đồ chung chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon [18, 93, 101, 113, 138, 139].
1.3.1. Phương pháp pha khí
Phƣơng pháp pha khí chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon gồm các bƣớc: tạo phôi cốt sợi bằng phƣơng pháp xếp, quấn, đan bện sợi, gia cƣờng theo phƣơng thứ ba; tạo nền bằng phƣơng pháp ngƣng tụ hóa học từ thể khí. Q trình ngƣng tụ hóa học thƣờng dùng khí metan hoặc hỗn hợp của hydrocacbon tƣơng tự khác với hidro hoặc argon. Phƣơng pháp này rất hiệu quả do nó cho phép tạo ra vật liệu với mọi cấu trúc, với những tính chất cho trƣớc, ngay cả theo từng lớp. Có thể ngƣng tụ khơng chỉ cacbon mà cả những kim loại nhƣ zirconi, đồng, tantali... để thu đƣợc những tính chất cần thiết.
Hình 1.15. Sơ đồ chung chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon Xử lý nhiệt Xử lý nhiệt 1500÷2200°C 1÷4 lần Bốc bay hydro cacbon Nhiệt phân pha hơi 800÷1200°C Máy móc Xử lý nhiệt 2000÷2500°C Compozit cacbon-cacbon
Nhựa nhiệt dẻo, vật liệu nano Nhiệt phân pha lỏng 550÷800°C Nhựa nhiệt rắn, vật liệu nano Sợi cacbon Xử lý bề mặt, trộn hợp, 2D, 3D... - Đóng rắn - Nhiệt phân pha rắn 1000÷1500°C Tẩm (thẩm) 1÷3 lần Xử lý nhiệt 2000÷2500°C 1÷4 lần Các bon hố 1000÷1500°C Tẩm (thấm)
Để lắng đọng cacbon nhiệt phân (pirocacbon) theo phƣơng pháp này thƣờng dùng một trong những quá trình sau đây: đẳng nhiệt, giảm nhiệt, giảm áp, xung áp lực [28, 38].
Phương pháp đẳng nhiệt: phơi đƣợc đặt trong buồng lị, nhiệt trong lò cảm
ứng đƣợc phân bố đều nhờ lõi graphit. Khí hydrocacbon đƣợc đƣa vào từ đáy lò và hấp thụ qua phôi, ngƣng tụ lên sợi. Nếu nhiệt độ của lị khơng đƣợc tính tốn chính xác có thể dẫn tới hiện tƣợng phân lớp pirocacbon tạo thành. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc áp dụng để chế tạo các chi tiết thành mỏng nhƣ trình bày tại hình 1.16.
Để thu đƣợc pirocacbon sâu trong bề mặt phơi nhằm chế tạo các chi tiết có tiết diện lớn hơn ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp không đẳng nhiệt (phƣơng pháp giảm nhiệt).
Phương pháp giảm nhiệt: phôi đƣợc đặt trong lõi đã đƣợc nung nóng. Khí
hydrocacbon đƣợc đƣa vào từ hƣớng của lị có nhiệt độ thấp hơn. Nhờ có sự chênh nhiệt mà sự lắng đọng pirocacbon diễn ra tại phần nóng hơn của phơi, tức là phần phơi tiếp giáp với lõi đƣợc nung nóng. Tăng nhiệt độ của lõi sẽ cho phép sự lắng đọng pirocacbon diễn ra tại vùng tiếp theo. Cứ nhƣ vậy, pirocacbon đƣợc lắng đọng trên toàn bộ phơi nhƣ trình bày tại hình 1.17.
Hình 1.16. Sơ đồ buồng lò phương pháp đẳng nhiệt thu lắng pirocacbon
Hình 1.17. Sơ đồ buồng lò phương pháp giảm nhiệt lắng đọng pirocacbon
1 - vỏ lò; 2 - thiết bị gia nhiệt; 3 - phơi; 4 - can nhiệt; 5 - khí vào; 6 - khí ra [140]
Nói chung, vật liệu compozit cacbon-cacbon thu đƣợc bằng phƣơng pháp này có mật độ lớn hơn, hàm lƣợng cacbon lớn hơn, cốt sợi liên kết tốt hơn với nền, nhƣng giá thành cao hơn so với compozit cacbon-cacbon thu đƣợc bằng phƣơng pháp pha lỏng.
1.3.2. Phương pháp pha lỏng
Phƣơng pháp này bao gồm các giai đoạn chính: tạo hình phơi ban đầu, polyme hóa chất kết dính, cacbon hóa, tăng mật độ cacbon nhiệt phân, xử lý nhiệt và tạo màng chống oxi hóa trên cơ sở cacbit của silic, iriđi, zirconi. Q trình polyme hóa chất kết dính đƣợc thực hiện ở nhiệt độ dƣới 200°C và chất kết dính sẽ hình thành cốc trong quá trình nhiệt phân tiếp theo.
Hàm lƣợng sản phẩm rắn của quá trình nhiệt phân càng lớn, độ bền của cốc và liên kết của nó với cốt sợi càng lớn thì chất lƣợng vật liệu compozit cacbon- cabon thu đƣợc càng cao. Tại nhiệt độ cuối của q trình nhiệt phân (800÷1500°C) sẽ tạo ra vật liệu cacbon hóa. Nếu nung tiếp vật liệu đã cacbon hóa lớn hơn 2000°C sẽ diễn ra q trình graphit hóa. Q trình nhiệt phân nền vơ cơ diễn ra rất lâu, tùy vào kích thƣớc và bản chất của vật liệu, thời gian có thể kéo dài đến 75 giờ. Tùy thuộc vào kích thƣớc. Để nhận đƣợc vật liệu có mật độ cao và cơ tính tốt có thể lặp
đi lặp lại nhiều lần q trình tẩm nhựa-đóng rắn-cacbon hóa [139]. Mật độ của vật liệu CCC phụ thuộc vào chế độ của các quá trình chế tạo và nằm trong khoảng 1,3÷2,0 g/cm3. Tính chất của vật liệu CCC thay đổi trong khoảng rất rộng, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất của sợi ban đầu, bản chất của chất kết dính, mức độ tẩm nhựa, tính chất của cốc và độ bền liên kết của nó với sợi cốt, điều kiện tẩm nhựa, đóng rắn, cacbon hóa và graphit hóa, số lần lặp lại q trình tẩm nhựa- cacbon hóa [139].
Ngun liệu đầu để làm vật liệu nền cho CCC trong phƣơng pháp này thƣờng là nhựa phenolic, hắc ín dầu mỏ hoặc hắc ín than đá. Hệ nhựa này đƣợc sử dụng rộng rãi do quá trình tẩm nhựa lên phơi đơn giản, khả năng polyme hóa ở nhiệt độ tƣơng đối thấp (<250°C) và dễ hình thành cacbon thuỷ tinh trong q trình nhiệt phân. Hắc ín có nhiệt độ hóa mềm thấp (94÷100°C) và chứa hàm lƣợng cốc cao (đến 62%).
Phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều nhất để đƣa nền cacbon vào phôi sợi là phƣơng pháp tẩm nhựa dƣới áp lực thấp, sau đó cacbon hóa compozit thu đƣợc trong mơi trƣờng khí trơ. Chu kỳ cacbon hóa và graphit hóa đặc trƣng đƣợc trình bày trong hình 1.18 [142].
Hình 1.18. Chu kỳ cacbon hóa (a) và graphit hóa (b) đặc trưng 1.3.3. Phương pháp kết hợp
Phƣơng pháp pha lỏng và phƣơng pháp pha khí có thể kết hợp để chế tạo compozit cacbon-cacbon. Thực chất của sự kết hợp này là: đầu tiên có thể dùng