Tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon

1.2. Vật liệu compozit cacbon - cacbon

1.2.2. Cấu trúc và tính chất vật vật liệu compozit cacbon-cacbon

1.2.2.2. Tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon

Như đã trình bày ở trên, tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon thay đổi trong một dải rất rộng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tính chất của vật liệu nền, tính chất của cốt sợi, khả năng liên kết giữa cốt và nền, điều kiện tẩm nhựa, đóng rắn, cacbon hóa, graphit hóa, điều kiện lắng đọng pyrocacbon cũng như số lượng lặp lại chu trình tẩm nhựa. Ngoài ra cũng phải kể đến ảnh hưởng của cấu trúc phôi sợi đến tính chất của compozit.

30

Khối lượng riêng của vật liệu compozit cacbon-cacbon phụ thuộc vào các yếu tố kể trên nằm trong khoảng từ 1,35.103 đến 2,0.103 kg/m3. Trong bảng 1.4 trình bày tính chất đặc trưng của một số loại vật liệu compozit cacbon-cacbon được sản xuất tại LB Nga.

Bảng 1.4.Tính chất của một số vật liệu compozit cacbon-cacbon [22]

Phương pháp công nghệ chế tạo pha nền cacbon; loại cốt sợi

Khối lượng

riêng ρ, kg/m3

Độ bền kéo σ1+

, MPa

Độ bền khi nén

σ1-

, MPa

Mô đun đàn hồi E1+

.10-3, MPa

Hệ số dẫn nhiệt λ,

W/(m.

K)

Hệ số dãn

nở nhiệt α.106,

1/K

Cấu trúc cốt; dạng

nền

Lắng đọng cacbon từ pha khí; sợi mô đun

đàn hồi cao 1750 70,5 200,0 30,0 6÷8 2÷3

3D;

Pyro- cacbon Phương pháp pha lỏng

áp lực thấp; sợi mô

đun đàn hồi thấp 1500 80,0 185,5 23,0 5 6

Cốt vải;

Nhựa phenolic Phương pháp pha lỏng

môi trường khử oxi;

sợi mô đun đàn hồi cao 1700 91,0 99,0 31,0 3,8 2,6

Cốt vải;

Nhựa phenolic Lắng đọng cacbon từ

pha khí, sợi mô đun

đang hồi cao 1800 100,0 200,0 42,0 10 4

4D;

Pyro- cacbon Khác hẳn những vật liệu compozit khác, vật liệu compozit cacbon-cacbon có một số tính chất cơ lý lại tốt lên khi nhiệt độ tăng. Điều này được giải thích do sự tích thoát nội ứng suất nhờ tính dẻo của vật liệu tăng khi tăng nhiệt độ, và khả năng tự chữa những khuyết tật của vật liệu khi tăng nhiệt.

Hình 1.8 cho thấy độ bền kéo của compozit 3D được tăng lên rõ rệt theo hướng z và x (vật liệu 3D đang xét có các sợi cốt theo tỷ lệ x:y:z = 2:2:3 và khoảng cách giữa các rảnh sợi là 0,75 mm).

31

Hình 1.8. Sự phụ thuộc độ bền kéo của compozit cacbon-cacbon 3D vào nhiệt độ (1 - theo hướng x; 2 - theo hướng z)

Hình 1.9 và hình 1.10 trình bày sự phụ thuộc của hệ số dãn nở nhiệt và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit cacbon-cacbon 3D vào nhiệt độ.

Hình 1.9. Sự phụ thuộc của hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu compozit cacbon-cacbon 3D vào nhiệt độ (1 - lý thuyết; 2 - thực nghiệm)

32

Hình 1.10. Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit cacbon-cacbon vào nhiệt độ

Khi xem xét những nhân tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon phải kể đến ảnh hưởng của phương pháp chế tạo vật liệu. Bảng 1.5 trình bày những tính chất đặc trưng của vật liệu compozit cacbon-cacbon mà nền của nó được chế tạo bằng phương pháp pha khí và phương pháp kết hợp, phôi sợi được dệt từ sợi cacbon trên cơ sở PAN.

Bảng 1.5. Tính chất của compozit cacbon-cacbon được chế tạo bằng các phương pháp tạo pha nền khác nhau

Các đặc trưng cơ lý

Phương pháp pha khí Phương pháp kết hợp

x xy z xy

Khối lượng riêng,*103 kg/m3 1,6÷1,7 1,8÷1,9

Độ bền, MPa, khi

Kéo 70 70 110 70

Uốn 50÷80 50÷80 60 40

Nén 50÷80 50÷80 100 100

Mô đun đàn hồi, MPa, khi

Kéo 50÷70 50÷70 120 70

Uốn 13÷50 13÷50 - -

Nén

Hệ số dãn nở nhiệt, *106 1/K 3 3 4 4

Độ dẫn nhiệt ở 21°C,W/(m.K) - 10 - 10

33

1.2.3. Công nghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon

Hiện nay có ba phương pháp chính chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon:

ngưng tụ cacbon từ thể khí vào phôi cốt sợi (phương pháp pha khí); tẩm nhựa lên phôi cốt sợi, sau đó cacbon hóa (phương pháp pha lỏng); kết hợp giữa tẩm nhựa và cacbon hóa với ngưng tụ cacbon từ thể khí (phương pháp kết hợp) [21].

1.2.3.1. Phương pháp pha khí

Phương pháp pha khí để chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon bao gồm các bước: tạo phôi cốt sợi bằng phương pháp xếp, quấn, đan bện sợi, gia cường theo phương thứ ba; tạo nền bằng phương pháp ngưng tụ hóa học từ thể khí. Quá trình ngưng tụ hóa học thường dùng khí thiên nhiên metan hoặc hỗn hợp của hidrocacbon tương tự khác với hidro hoặc argon. Phương pháp này rất hiệu quả ở chỗ, nó cho phép tạo ra vật liệu với mọi cấu trúc, với những tính chất cho trước, ngay cả theo từng lớp.

Có thể ngưng tụ theo phương pháp này không chỉ cacbon mà cả những kim loại như ziriconi, đồng, tantali... để thu được những tính chất cần thiết.

Để kết lắng cacbon nhiệt phân (pirocacbon) theo phương pháp này thường dùng một trong những quá trình sau đây: đẳng nhiệt, giảm nhiệt, giảm áp, xung áp lực.

Phương pháp đẳng nhiệt: phôi được đặt trong buồng lò (nhiệt trong buồng lò được phân bố đều). Nhiệt trong lò cảm ứng phân bố đều nhờ lõi graphit. Khí hidrocacbon được đưa vào từ đáy lò và hấp thụ qua phôi, ngưng tụ lên sợi. Nếu nhiệt độ của lò không được tính toán chính xác có thể dẫn tới hiện tượng phân lớp pirocacbon tạo thành. Phương pháp này thường được áp dụng để chế tạo các chi tiếp thành mỏng (hình 1.11).

Để thu được pirocacbon sâu trong bề mặt phôi nhằm chế tạo các chi tiết tiết diện lớn hơn người ta sử dụng phương pháp không đẳng nhiệt (phương pháp giảm nhiệt).

Phương pháp giảm nhiệt: phôi được đặt trong lõi đã được nung nóng. Khí hidrocacbon được đưa vào từ hướng của lò có nhiệt độ thấp hơn. Nhờ có sự chênh nhiệt mà sự lắng đọng pirocacbon diễn ra tại phần nóng hơn của phôi, tức là phần phôi tiếp giáp với lõi được nung nóng. Tăng nhiệt độ của lõi sẽ cho phép sự lắng đọng pirocacbon diễn ra tại vùng tiếp theo. Cứ như vậy pirocacbon được lắng đọng trên toàn bộ phôi (hình 1.12).

34

Hình 1.11. Sơ đồ buồng lò phương pháp đẳng nhiệt thu lắng pirocacbon 1 - vỏ lò; 2 - phôi; 3 - cuộn cảm ứng; 4 - lõi graphit

Hình 1.12. Sơ đồ buồng lò phương pháp giảm nhiệt thu lắng pirocacbon 1 - vỏ lò; 2 - thiết bị gia nhiệt; 3 - phôi; 4 - can nhiệt; 5 - khí vào; 6 - khí ra

Nói chung, vật liệu compozit cacbon-cacbon thu được bằng phương pháp này có mật độ lớn hơn, hàm lượng cacbon lớn hơn, cốt sợi liên kết tốt hơn với nền, nhưng giá thành cao hơn so với compozit cacbon-cacbon thu được bằng phương pháp pha lỏng.

1.2.3.2. Phương pháp pha lỏng

Phương pháp này bao gồm các giai đoạn chính: tạo hình phôi ban đầu, polyme

35

hóa chất kết dính, cacbon hóa, tăng mật độ bằng cacbon nhiệt phân, xử lý nhiệt và tạo màng chống oxy hóa trên cơ sở cacbit của silic, iriddi, ziriconi. Quá trình polyme hóa chất kết dính được thực hiện ở nhiệt độ không quá 473 K. Trong quá trình nhiệt phân tiếp theo chất kết dính sẽ hình thành cốc.

Hàm lượng sản phẩm rắn quá trình nhiệt phân càng lớn, độ bền của cốc và liên kết của nó với sợi cốt càng lớn thì chất lượng vật liệu compozit cacbon-cabon thu được càng cao. Tại nhiệt độ cuối của quá trình nhiệt phân, không quá 1073  1773 K, sẽ tạo ra vật liệu cacbon hóa. Nếu nung tiếp vật liệu đã được cacbon hóa đến 2773  3273 K sẽ diễn ra quá trình graphit hóa. Quá trình nhiệt phân nền vô cơ diễn ra rất lâu và có thể kéo dài đến 75 giờ. Để nhận được vật liệu có mật độ cao và cơ tính tốt có thể lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình tẩm nhựa - đóng rắn - cacbon hóa [21].

Mật độ của vật liệu compozit cacbon-cacbon phụ thuộc vào chế độ của các quá trình chế tạo và nằm trong khoảng từ 1300 đến 2000 kg/m3.

Tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon 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 quá trình tẩm nhựa - cacbon hóa [21].

Trong phương pháp này nguyên liệu ban đầu để làm vật liệu nền cho compozit cacbon-cacbon thường là nhựa phenol hoặc hắc ín dầu mỏ hoặc hắc ín than đá. Nhựa nhiệt rắn được sử dụng rộng rãi do quá trình tẩm nhựa lên phôi đơn giản. Chúng polyme hóa ở nhiệt độ tương đối thấp (<250°C), trong quá trình nhiệt phân hình thành cacbon thủy tinh. Hắc ín có nhiệt độ hóa mềm thấp (94÷101°C), chứa hàm lượng cốc cao (đến 62%).

Phương pháp được sử dụng nhiều nhất để đưa nền cacbon vào phôi sợi là phương pháp tẩm nhựa dưới áp lực thấp, sau đó cacbon hóa compozit thu được trong môi trường khí trơ. Chu kỳ cacbon hóa đặc trưng được trình bày trong hình 1.13, còn chu kỳ graphit hóa đặc trưng được trình bày trong hình 1.14 [21].

36

Hình 1.13. Chu kỳ cacbon hóa đặc trưng

Hình 1.14. Chu kỳ graphit hóa đặc trưng 1.2.3.3. Phương pháp kết hợp

Phương pháp pha lỏng và phương 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 phương pháp pha lỏng (hoặc dùng khí để lắng đọng pirocabon), đến chu trình sau lại dùng phương pháp khi lắng đọng pirocacbon (hoặc phương pháp pha lỏng), cứ như vậy cho đến khi compozit đạt được khối lượng riêng và các chỉ tiêu cơ lý cần thiết. Kết quả của phương pháp này là thu được compozit cacbon-cacbon có nền là hỗn hợp cốc + pirocacbon.

Khi sử dụng phương pháp kết hợp này, vật liệu compozit cacbon-cacbon thu được có cốt là những lớp vải cacbon, hoặc cốt sợi cacbon kiểu 3D,… và nền là cốc + pirocacbon, phôi thu được thường được xử lý nhiệt tiếp theo ở trên 2500°C, và áp lực không lớn. Nhiệt xử lý cao nhất có thể lên đến gần 3000°C và được kéo dài trong

37

khoảng 2÷4 giờ phụ thuộc vào hình dang, kích thước phôi. Theo phương pháp này, người ta đã chế tạo được các phôi trụ đường kính 120 mm, dài 140 mm, có khối lượng riêng khoảng 1900÷2000 kg/m3, độ bền khi kéo >40 MPa, khi nén 80÷100 MPa, khi uốn 90÷150 MPa và khi trượt 20÷30 MPa [21].