Cấu trúc 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

1.2.2.1. Cấu trúc của vật liệu compozit cacbon-cacbon

Cấu trúc của vật liệu compozit cacbon-cacbon thường được phân loại theo cấu trúc hình học của nó. Trong đó được sử dụng nhiều nhất trong các kết cấu là compozit cacbon-cacbon được gia cường nhiều hướng.

Cũng như các loại vật liệu compozit khác, vật liệu compozit cacbon-cacbon thường có cấu trúc phân lớp, với mỗi lớp là 1D, 2D,… Những năm gần đây, do sự đòi hỏi rất cao của kỹ thuật hiện đại và công nghệ chế tạo tên lửa, người ta đã chế tạo được các vật liệu compozit cacbon-cacbon có cấu trúc không gian 3D, 4D,… Nhưng vật liệu thế hệ mới này không những đảm bảo độ bền cơ học cao theo nhiều hướng trong không gian, khắc phục được những nhược điểm của vật liệu phân lớp, mà còn có hệ số giãn nở nhiệt thấp,… Vật liệu compozit cacbon-cacbon có cấu trúc không gian còn có

27

nhiều ưu điểm nổi trội khác, ngày càng được hoàn thiện về mặt công nghệ, tính toán cơ học và ứng dụng rộng rãi trong những ngành kỹ thuật quan trọng.

Cấu trúc cốt sợi ngắn (cốt sợi không liên tục)

Chế tạo compozit cacbon-cacbon có cấu trúc cốt sợi cacbon không liên tục sử dụng sợi cacbon ngắn kết hợp hoặc với cacbon tạo ra bằng phương pháp phân hủy nhiệt hoặc nền hữu cơ phân hủy nhiệt. Chế tạo compozit theo phương pháp này làm giảm khả năng tăng bền của cốt sợi cacbon. Hơn nữa, cốt sợi không liên tục dùng để:

tăng khả năng chế tạo các kết cấu có kích thước lớn; tạo cấu trúc đẳng hướng của vật liệu; tăng cường độ bền cắt giữa các lớp compozit; cùng với các cốt sợi liên tục, nhận được một compozit bền hơn bằng cách tạo ra các nhân tố nối đóng vai trò làm giảm độ xốp của compozit.

Các kỹ thuật chế tạo được áp dụng rộng rãi nhất là (1) tấm cốt sợi (được bện từ các sợi đã cacbon hóa) phối hợp với chất nền là cacbon nhiệt phân, và (2) các sợi ngắn, cắt nhỏ phân tán trong một nền hắc ín. Theo cách thứ nhất, tấm cốt sợi được chế tạo thông qua việc chải thô cơ học các sợi tổng và tạo thành một lưới liên tục từ các sợi này. Các lưới được gấp lại với đầu kia của một lưới khác để tạo ra một tấm bện nhau.

Các tấm này sau đó được cắt, xếp chồng lên nhau, và được khâu lại để có được một tấm cốt sợi. Các tấm cốt sợi này được tiến hành cacbon hóa trong môi trường khí trơ hay chân không. Nhiệt độ để quá trình cacbon hóa đạt tối đa sẽ được xác định theo các thông số khác như độ co ngót, độ hụt khối và thành phần hóa học của tấm cốt sợi.

Thông thường, nhiệt độ quá trình cacbon hóa đạt tối đa là 1200ºC, khi đó thời gian của chu trình cacbon hoá cũng như tốc độ tăng nhiệt độ sẽ được xác định qua độ dày của tấm cốt sợi. Hàm lượng cacbon trong sợi là ~ 98%. Theo cách thứ hai, vật liệu compozit cacbon-cacbon cũng có thể được chế tạo từ các sợi cacbon ngắn bằng cách đúc đẳng hướng, dàn đống ép lát (flocking lay-up), phun ép lát (spay lay-up), và kỹ thuật đúc khuôn pulp-molding (hình 1.6). Lý do để người ta sử dụng các sợi ngắn này là nhằm để giảm đi đặc tính dị hướng của compozit, do khi sử dụng các sợi có độ dài lớn hơn (trong hệ compozit sợi rời rạc) sẽ tạo ra sự định hướng nhất định của các sợi, trong quá trình xử lý, dẫn đến tính chất dị hướng của vật liệu thành phẩm.

28

Hình 1.6. Các kiểu sắp xếp sợi cho bốn loại kỹ thuật để chế tạo compozit cacbon- cacbon cấu trúc cốt sợi ngắn [20]

(a) dàn đống ép lát (Pocking lay-up); (b) đúc khuôn pulp molding; (c) đúc đẳng hướng (isotropic casting); (d) phun ép lát (spray lay-up)

Cấu trúc cốt sợi liên tục

Quá trình chế tạo compozit cacbon - cacbon từ phôi cốt sợi liên tục thực chất là quá trình điền đầy khoảng trống giữa các sợi của kết cấu bằng nền cacbon liên tục. Có nhiều cách để thực hiện việc tạo ra nền cacbon liên tục bao quanh các sợi của một phôi cốt sợi cacbon đã được tạo hình trước. Tuy các bước công nghệ có thể khác nhau nhưng trong thực tế có ba phương pháp cơ bản thường được sử dụng để chế tạo compozit cacbon - cacbon từ phôi sợi (kết cấu sợi) ban đầu. Hai phương pháp đầu dựa trên cơ sở phân hủy nhiệt nhựa nhiệt rắn và hắc ín nhiệt dẻo. Phương pháp thứ ba là lắng đọng cacbon trong phôi sợi bằng cách sử dụng phương pháp lắng đọng cacbon từ pha hơi (CVI).

Sử dụng các cốt sợi liên tục hoặc là sẽ tận dụng được tính chất của các sợi có độ

29

bền cao, hoặc sẽ thu được chất nền (matrix) đạt mức độ cao về sự định hướng ưu tiên của cấu trúc vĩ mô. Sự phức tạp của quá trình chế tạo này gây bởi hai thông số là: (i) sự định hướng của các sợi, và (ii) số lượng khớp liên kết các lớp trong phôi cốt sợi. Sử dụng các lớp vải đã dệt sẵn và cuốn sợi đơn hướng có thể thu được cốt sợi định hướng cao khi mà không khớp liên kết cơ học giữa các lớp. Sự cài đa lớp có thể đạt được thông qua sự dệt vải phức tạp hoặc sự sắp xếp các sợi để có được các cốt sợi đa chiều (hình 1.7).