دانلود تحقیق ریخته گری الیاف کربن

پیشگفتار الیاف کربن نسل جدیدی از الیاف پر استحکام است .

این مواد از پرولیز کنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود؛ به صورتی که بعد از پرولیز حداقل 90 درصد کربن باقی بماند.

الیاف کربن نخستین بار در سال 1879 میلادی زمانی که توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الکتریکی استفاده کرد، پای به عرصه علم وفن آوری گذاشت.

با این حال در آغاز دهه 1960 بودکه تولید موفق تجاری الیاف کربن، با اهداف نظامی و به ویژه برای کاربرد در هواپیمای جنگی، آغاز شد.

در دهه های اخیر ،الیاف کربن در موارد غیرنظامی بسیاری، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری.

خودروسازی.

ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی-ورزشی وبسیاری موارد دیگر کاربردهای روز افزونی یافته است.

الیاف کربن درکامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار میرود.

کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام وسختی بالا و به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند، یگانه گزینه پیش روست.

همچنین نگاهی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود، باز هم کامپوزیت های کربنی بهترین گزینه هستند.

با توجه به این ویژگی ها ، پهنه گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است.

میزان تولید الیاف کربن از 1992 تا 1997 رشد200 درصدی در این فاصله 6ساله داشته که خود نشانگر اهمیت تکنولوژی این ماده است.

هم اکنون ایالات متحده آمریکا نزدیک به 60درصد تولید جهانی الیاف کربن را به مصرف می رساند وا ین در حالی است که ژاپن تلاش می‌کند به میزان مصرفی برابر با50درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد.

ژاپن به واسطه شرکت صنتی توری، خود بزرگترین تولید کننده الیافت کربن در جهان است.

هم چنین عمده ترین تولید کننده الیاف کربن با استفاده از پیش زمینه قیر، ژاپن است.

پیشگویی برای سال 2013 میلادی..

سال 2013 است خودرویی جدید به نام 100MPG”BLACKBEAUTY” بدلیل این که ضمن دارا بودن بالاترین کارایی به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده طرفداران بسیاری زیادی دارد.

این خودرو پس از انقراض نسل خودرو های فولادی با سازه ای تمام کامپوزیت بر پایه کربن متولد شده است.

با استفاده از مواد کربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی موتور و سیستم های انتقال نیرو، کاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندک سوخت شده است.

این مواد پیشرفته به همراه اندکی فلزات سبک که عمدتا در اتصالات به کار می روند، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه کرده است.

این مواد سبک در فریم شاسی، موتور کاتالیتیک با بازده بالا، در باتری های لیتیمی و موتورهای الکتریکی، پانل های بدنه، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان که سوخت اصلی خودروست وخلاصه در تمام المان های اصلی که چنین وسیله نقلیه کم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد به کار رفته است.

پانل های بدنه از کامپوزیت های کربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف وآماده رنگ کاری ساخته شده است.

فیبریل های کربنی در اندازه های زیر میکرون با ویژگی هدایت الکتریکی سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الکترو استاتیک می کنند.

از سوی دیگر چون کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرابنفش حساس نیست در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند.

بخش های دیگری که زیاد به آن ها توجه نمی شود، مانند در موتور، هوزینگ ها وگیربکس ها تماما از کامپوزیت کربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده وجایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند.

مخزن سوخت کامپوزیت کربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است که مملو از کربن فعال وفیبریل های کربنی است که موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود.

موتور کاتالیتیک از کاتالیست های پوشش داده شده بر روی کره ها و لوله های ریز شیاردار کربنی که به کربن توخالی معروف هستند ودر واقع نوعی از الیاف کربن سوراخ شده هستند، استفاده می‌کند.

این واحد مرکزی تولید توان الکتریکی که در واقع قلب سیستم به حساب می آید به دلیل استفاده زیاد از فراورده های الیاف کربن قادر است کارایی خودرا در دماهای بسیار بالایی که الزاما در اثر کارکرد موتور پدید می آید به خوبی حفظ کند.این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است.

از سوی دیگر مشکلات مربوط به آن دسته از شکست های قطعات که ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی در نسل خودروهای فلزی بود به واسطه استفاده از قطعات کامپوزیتی کربنی به طور کامل از بین رفته است.

مهندسین مواد بادست کاری در میزان جهت یافتگی الیاف کربن نوع جدیدی از الیاف راساخته اند که به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یک بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به کار برند.

در سیستم باتری یونی لیتیم/ لیتیم از آند های کربنی وکاتدهای کامپوزیت کربنی استفاده شده است.

سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیکی تقویت شده با الیاف کربن، محفظه های کربنی وفوم های کربنی عایق، بیشترین شرایط رفاه وآسایش سرنشین را به همراه حذف کامل گازهای ضدازن فراهم آورده است.

سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای، تلفن همراه،دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیک از قاب های کامپوزیت کربنی که هدایت الکتریکی مناسبی دارند بهره می برند.

قراردادن المان های جهت دار کامپوزیتی بر پایه کربن در جهت اعمال لنگر سیستم تعلیق کربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته که موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملکرد بهتر سیستم تعلیق شده است.

روتورهای کربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملکرد بهتر ترمز کاهش داده است.

رینگ های تقویت شده با الیاف کربن ضمن کاهش وزن موجب سرد کار کردن مجموعه ترمز و در نتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود.تایرهای با فرمالاسیون پیشرفته شامل فیبریل های کربن وبلوک های کربنی جهت دار به همراه الیافت کربن بافته شده به صورت شعاعی ضمن سبکی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سردماندن آنها در طول حرکت می شود.

المان های تعلیق رینگهای وتایرهای ساخته شده از الیاف کربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه کمینه شدن احتمال آتش سوزی در اثر بارهای الکترواستاتیک وافزایش امنیت وراحتی سرنشین در هنگام سوار وپیاده شدن از خودرو می شود.

با استفاده روز افزون از الیاف کربن در ساخت خودروهای پیشرفته مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به کاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را که باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند.

در عوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد کربنی جدید با کاربردهای رو به رشد در ساخت خودروهای کربنی میلیون ها فرصت شغلی در کشور پدیدار می شود.

الیافت کربن را میتوان براساس مدول الاستیک استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی کرد: دسته بندی براساس ویژگی ها: الیاف کربن با ضریب کشسانی بسیار بالا؛ بیشتر از 450 گیگاپاسکال الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگاپاسکال الیاف کربن با ضریب کشسانی متوسط؛ بین 200 تا 350 گیگاپاسکال الیاف کربن با استحکام کششی بالا و ضریب کشسانی پایین؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و ضریب کشسانی کمتر از 100 الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا؛بالاتر از 5/4 گیگاپاسکال دسته بندی براساس نوع پیش زمینه: الیاف کربن با پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزوفاز الیاف کربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ریون( ابریشم مصنوعی) الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی: الیاف نوع 1، دمای عملیات حرارتی بالا از 2000 درجه سانتی گراد؛تولید کننده الیاف HM الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد؛تولید کننده الیاف HS الیاف نوع 3، دمای عملیات حرارتی کم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛تولید کننده الیاف با ضریب استحکام پایین ساختن الیاف کربن: در فرهنگ واژگان نساجی آمده است:الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند.

اصطلاح الیاف گرافیتی در مورد الیافی به کار میرودکه کربن آنها بیش از 99 درصد باشد.

انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند.

پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از: الیاف پلی اکریلونیتریل (PAN)الیاف سلولزی( مانند ریون ویسکوز و پنبه) قیر حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه هالی آلی که به شکل الیاف هستند ساخته می شود.

در واقع انجام عملیات حرارتی حذف عناصری مانند اکسیژن ، نیتروژن ، هیدروژن وباقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود.

در پژوهش هایی که بر روی الیاف کربن انجام شده مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور ومیزان جهت گیری الیاف پیش زمینه وکاهش نواقص موجود در آنها بهبود می یابد.

بهترین راه برای دست یابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرایندهای پایدارسازی وکربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فراینداست.

تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل: برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد: 1-مرحله پایدارسازی اکسیدی: در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کششی مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار میگیرد .

این عملیات PAN گرما نرم را به ترکیبی باساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می‌کند.

2- مرحله کربنیزاسیون: بعداز اکسیداسیون الیاف بدون اعمال کشش درپیرامون دمای 1000درجه سانتی گراد در محیط خنثی (معمولا نیتروژن) برای مدت چند ساعت مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرد.

در طی این فرایند عناصر غیرکربنی آزاد میشود والیاف کربن با بالانس جرمی 50درصد به نسبت الیاف PAN نخستین به دست می آید.

3-مرحله گرافیتاسیون: بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب کشسانی واعمال این مرحله در محدوده دمایی بین 1500تا3000 درجه سانتیگراد موجب بهبود درجه جهت گیری کریستالیت های کربنی در جهت محور الیاف وبنابراین مایه ی بهبود ویژگی می شود.

تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد.

ساختار الیاف کربن: مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است.

برخلاف گرافیت ساختار کربن بدون هر گونه نظم سه بعدی است.

در الیاف کربن برپایه PAN ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اکسیدی ومتعاقب آن کربنیزاسیون از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می‌کند.

به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون درجهت محور طولی الیاف قرار می گیرد.

بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز( Wide angle X –ray) نشان می‌دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون ارتفاع انباشتگی ومقدار جهت گیری صفحات اصلی افزایش می یابد.

قطر منوفیلامنت های PAN تاثیر عمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته وهسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا پایدار شده اند به وضوح قابل مشاهده است.

پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است در حالی که هسته جهت گیری کم تر صفحات اصلی وحجم کم تر کریستالیست ها را نشان می‌دهد.

عموما دیده شده که هر چه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می شود.

چنان چه مرحله پایدارسازی به صورتی مناسب انجام گیرد در آن صورت استحکام کششی وضریب کشسانی با کربنیزاسیون تحت کشش به مقدار بسیار زیادی در محصول کربنی نهایی بالا می رود.

بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایکس وپراش الکترونی نشان داده است که در الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا کریستالیستها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند.این درحالی است که صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند.

به طور کلی استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه شرایط فرآیند و دمای عملایت حرارتی ووجود نواقص ساختاری در الیاف ارتباط دارد.

در الیاف کربن با پیش زمینه PAN و افزایش دما تا 1300 درجه سانتیگراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از 1300درجه استحکام به آرامی کم میشود.

این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است.

الیاف کربن بسیار ترد هستند لایه ها در الیاف با اتصالات ضعیف واندروالسی به هم دیگر متصل شده اند.

تجمع فلس مانند لایه ها موجب می شود تا رشد ترک در جهت عمود بر محور الیاف به آسانی صورت بگیرد.

در خمش الیاف در کرنش های بسیار پایین می شکنند.

باتمام این معایب الیاف کربن از نقطه نظر مجموع ویژگی های شیمیایی فیزیکی و مکانیکی منحصر به فردی که دارد در بسیاری از عرصه های مهندسی وعلوم در دو دهه اخیر تقریبا بدون رقیب مانده است.

کامپوزیتهای کربن- کربن (ccc) شامل سابترین الیاف کربنی در یک ماتریس و زمینه کربنی می باشند.

این کامپوزیتها به فرمهای گوناگونی از یک بعدی تا n بعدی با استفاده از فایبرها و پارچه می باشد: 1) یک بعدی با استفاده از فایبر 2) دو بعدی با استفاده از پارچه 3) سه بعدی 4) n بعدی این مواد دارای خواص مکانیکی بالا (مقاومت ویژه و چقرمگی،...) مدول یانگ بالا (stiffness) و پایداری حرارتی وشیمیایی عالی در دماهای بالا در محیط های خنثی هستند و اگر در محیطهای اکسیدی بکار برده شوند بایستی coat شوند.

البته این مواد از مقاومت فرسایشی کمی دردمای بالا برخورد دارند.

در این مواد بعلت اینکه ساختار کربن می تواند از کربن آمورف تا گرافیت تغیر کند در نتیجه کامپوزیتهای مختلف با خواص متفاوت خواهیم داشت.

پارامترهای مؤثر بر خواص کامپوزیت کربن – کربن 1) پارامترهای موثر بر خواص زمینه کربن انزوتروپی کریستال گرافیت ، جهت گیری کریستالها ، تخلخل، ساختار زمینه «گرافیت یا glassy‍‌») 2) پارامترهای موثر بر خواص الیاف کربنی 3) شرایط پروسس مانند دمای عملیات حرارتی نهایی که ساختار کریستالها و ابعاد آنها را تعیین می کند و در نتیجه روی خواص مکانیکی تأثیر شدیدی می گذارد.

خواص الیاف کربن تحت تأثیر دو عامل پیش زمینه مصرفی و نوع پروسینگ ساخت می باشد که پیش زمینه مصرفی میتواندRayon(ابریشم مصنوعی)، (Polyacrylonitritc)PAN , Petroleum pitch باشد.

پروسه ساخت الیاف از RAYON ابتدا الیاف rayon تا دمای 400 حرارت داده می شوند تا سلولز آن پیرولیز گردد سپس کربنیزه کردن با حرارت دادن تا دمای 1000 صورت می گیرد که پس از کامل شدن کربنیزاسیون الیاف تا دمای بیش از 2000 حرارت می بیند تا گرافیته شدن صورت گیرد.

در این روش الیاف بدست آمده دارای مدول پایین 27.6 Gpaیا 4×106 Psi می باشد.

پروسه ساخت الیاف از P.A.N و Pctroleum pitch برای تهیه الیاف مدول بالا ( 5×106 psi یا 344 Gpa ) و استحکام بالا (300×103 psi یا 2.07 Gpa) از این دو ماده استفاده می شود.

در تهیه الیاف از PAN ابتدا الیاف PAN به میزان %500 تا %1300 کشیده می شوند و سپس دردمای 200-280OC در محیط اکسیژن پایدارمی شوند کربنیزه شدن الیاف در دمای بین 1000-1600OC صورت می گردد در نهایت گرافیته کردن در دماهای بالاتر از 2500OC صورت می گردد.

پروسه ساخت الیاف از pitch مشابه پروسه ساخت الیاف از P.A.N می باشد با این تفاوت که کشش الیاف را نداریم و فرم الیاف شکل از کشش pitch مذاب از داخل حدیده حاصل می شود.

شکل الیاف بدست آمده روی خواص مکانیکی آن تأثیر شایانی دارد مثلا الیاف C شکل و الیاف توخالی نسبت به الیاف کاملا گرد و یا سه گوش مقاومت بیشتری را نشان می دهند.

برای ساخت سرامیکهای کربنی از کربن اولیه (ذرات جامد کربن خالص) به عنوان Filler و کربن ثانویه به عنوان بایندر که پس از عملیات حرارتی کربن بجای می گذارد استفاده می شود.

در ساخت کامپوزیتهای کربن – کربن از الیاف کربنی بجای کربن اولیه استفاده می شود و فضای خالی بین الیاف توسط کربن ثانویه پر می شود که کربن ثانویه از سه طریق زیر تأمین می شود: 1- CVD 2- استفاده از رزین ترموست 3- استفاده از رزین ترموپلاست استفاده ازCVD برای ساخت قطعات نازک و استفاده از رزینهای ترموست و ترموپلاست برای ساخت قطعات ضخیم مفید می باشد.

پروسه CVD : در این روش کربن پیرولیتیک بین الیاف رسوب کرده ( دمای 800-2000OC) و چون سطح محصول فاقد آلودگی است برای قطعات بیولوژیک بسیار مناسب است.

بسته به دمای تجزیه و روش ورود گاز به محفظه پروسس CVD در ساخت کربن – کربن به سه روش تقسیم می شود : 1- روش ایزوترم 2- روش شیب دمایی 3- روش شیب فشاری 1- پروسه ایزوترم : پریفرم الیاف درون کوره مقاومتی یا القایی قرار گرفته و گرم می شود تا به دمای ثابت وپایداری برسد در این دما واکنش کننده های گازی وارد محقطه شده و بصورت کربن ثانویه روی پریفرم می نشیند.

چون سطح خارجی قطعه گرمتر از داخل آن است کربن تمایل به رسوب کردن روی سطح خارجی دارد.

لذا قبل از اینکه عمق قطعه با کربن پوشیده شود سطح آن پوشیده می شود برای رفع این اشکال ماشینکاری مداوم قطعه و تکرار پروسه ضروری است.

2- پروسه شیب دمایی : برای رفع مشکل روش فوق قطعه پریفرم توسط یک (mandrel) ماندرل و از طریق القایی گرم می شوند لذا درون آن گرمتر از بیرون آن بوده و کربن ابتدا روی سطح داخل قطعه رسوب می کند و بتدریج که سطوح خارجی تر هم گرم می شوند کربن بصورت شعاعی روی سطوح خارجی تر هم رسوب می نماید.

3- پروسه شیب فشاری : گاز واکنش کننده تحت فشار بدرون پریفرم رانده می شود لذا کربن ابتدا روی سطح داخلی رسوب کرده و پس از پر شدن سطوح ورودی گاز از کانالایی بسمت سطوح خارجی حرکت کرده و تمام قطعه در جهت خلاف ورود گاز پر می گردد.

مشکل این دو روش ذکر شده این است که شیب دمایی و فشاری باید بطور دقیق کنترل شود لذا در یک مرحله فقط یک قطعه قابل ساخت است ولی در روش اول در هر مرحله چند قطه قابل ساخت می باشند بنابراین از روش های دوم وسوم فقط در مورد قطعات خاص استفاده می شود.

پارامترهای مؤثر بر پروسه CVD دما وفشار می باشد پروسه ساخت کامپوزیت از طریق CVD در فشارهای کلی کم انجام می گیرد زیرا فشارهای کلی بالا معایبی دارند که عبارتند از: 1- فضای آزاد جهت حرکت گازهای واکنش کننده کم بوده و لذا رسوب دهی بطور ترجیحی روی سطح خارجی قطعه انجام می شود 2.

فشار بالا موجب رسوب کردن کربن در موادی می گردد که قابلیت گرافیته شدن را ندارد پس از انجام پروسه CVD قطعه گرافیته می شود تا زمینه آمورف به گرافیت تبدیل شود.

2- استفاده از رزین ترموست در انتخاب پیش زمینه در این روش باید به چند نکته مهم زیر توجه داشت: الف- میزان کربن دهی آن بالا باشد یعنی کاهش وزن کمی بعد از پیرولیز داشته باشد.

ب- ویسکوزیته ج- ساختار کریستالی پیش زمینه د- ساخت میکروسکوپی پیش زمینه با توجه به پارامترهای فوق و نیز تأثیر پذیری آنها حین پروسس فشار- دما –زمان تنها پیش زمینه های مناسب برای ساخت کربن – کربن رزینهای فنولیک و خانواده های آروماتیک می باشند.

مزایای رزین ترموست : 1- ساخت نمونه های اولیه و تلقیح کامپوزیت بوسیله آنها ساده است.

2- اطلاعات تکنولوژی گسترده ای در مورد آنها وجود دارد که براحتی قابل کاربرد است.

معایب رزین ترموست : عیب عمده این رزینها این است که دردمای کم پلیمریزه می شود و جامد آمورف غیر قابل ذوب با ساختاری سه بعدی می دهد که گرافیته کردن آن بسیار مشکل است.

اشکال دیگر این رزینها انقباض نسبتا زیاد آنهاست که مثلا در مورد رزین فنولیک به %20 انقباض طولی هم می رسد.

ویژگی های رزین های ترموست : 1- میزان کربن دهی بین 50 تا 70 درصد که این میزان با اعمال فشار حین کربنیزه کردن ازدیاد نمی یابد.

2- زمینه حاصل از این رزینها شیشه ای بوده که بتنهایی با حرارت دادن تا 3000 نیز گرافیته نمی شود.

3- تنش های اعمال شده حین عملیات حرارتی می تواند تا حدودی در تشکیل ساختار گرافیتی مؤثر واقع شود.

فلوشیت ساخت کربن – کربن با استفاده از رزین ترموست: ساخت کامپوزیت کربن – کربن با استفاده از رزینهای ترموپلاست (مانند pitch) مزایای استفاده از pitch : الف- نقطه نرم شوندگی پایین است.

ب- مذاب آن ویسکوزیته پایین دارد.

ج- میزان کربن دهی بالا است.

د- تمایل به تشکیل ساختار کربن – گرافیت تغییرات pitch در اثر حرارت دیدن: 1- با حرارت دادن تا softeniug point ، pitch مصرفی نرم می شود.

2- از نقطه نرم شوندگی تا 400 تغیراتی در آن ایجاد می شود که عبارتند از:چ الف.

تبخیرترکیباتی با وزن مولکولی کم ب.

پلیمیری شدن ج.

کلیواژ و آرایش مجدد مولکولی 3- از 400 به بالا نقاط کروی در مذاب pitch ایجاد می شود که mesophase نامیده می شود و ساختار آنها مانند کریستالهای مایع کاملا جهت دار است.

4- میزان کربن دهی pitch در فشار 1atmحدود %50 است (مانند رزینهای ترموست) با افزایش فشار حین پیرولیز (تا 100MPA) میزان کربن دهی آن بیشتر می شود.

افزایش فشار به بزرگتر شدن mesophase ها ساختار میکروسکوپیک کم کرده و نیز دمای تشکیل آنهار را کاهش می دهد.

در فشارهای بالاتر (>200Mpa) اتصالات و mesophase ها انجام می شود انجام می شود لذا در ساخت کربن – کربن از فشارهایی حدود 100 Mpa استفاده می گردد.

5- در برخی موارد برای افزایش دانسیته زمینه و کاهش میزان تخلفل از HIP استفاده می شود برای این منظور ابتدا پریفرم را در قیر پودر شده فرو می برد و یا کربن – کربن متخلخل را در پودر قیر فرو می برند.

سپس آنرا در محقطه کنسرو مانند فلزی قرار می دهند و در HIP می گذارند.

ابتدا دما را بقدری بالا می برند که فقط قیر ذوب شود.

سپس در این دما، فشار را افزایش داده تا قیر مذاب وارد تخلخلها شود .آن گاه فشار را بتدریج افزایش داده و حین آنکه دما را نیز جهت کربنیزه کردن و پیرولیز افزایش می دهند.

استفاده از فشار همانگونه که ذکر شد میزان کربن دهی را بالا برده و تخلخل زمینه را کم کرده و از تبخیر ترکیباتی با وزن مولکولی کم جلوگیری می نماید.

خواص کربن – کربن الیاف مقاومت کششی و مقاومت به ضربه را بالا می برند و زمینه مقاومت فشاری و سایشی را و در ضمن امکان انتقال نیرو به الیاف و توزیع نیرو در دسته الیاف را فراهم می سازد.

کربن – کربن با افزایش دما افزایش استحکام می دهد.

الیاف حرارت را بهتر از زمینه منتقل می سازند سپس کامپوزیتهای دو بعدی در یک جهت هادی حرارت و در جهت دیگر عایق حرارتی می باشند.

ماده ای ترد است و کرنش شکست زیر %2 دارد و این مسئله باعث افت مقاومت بین لایه ها می باشد.

خنثایی شیمیایی داشته و لذا در بافتهای زنده بدن کاربرد دارد.

پایداری حرارتی عالی داشته و مقاومت شوک حرارتی عالی دارد.

انبساط حرارتی کم ، هدایت حرارتی بالا و مدول ومقاومت مکانیکی ویژه بالایی دارد.

عوامل مؤثر بر خواص کربن – کربن 1- نوع الیاف بکاررفته و درصدآن، اعداد وارقام نشان دهنده آن است که نوع الیاف، درصدد جهت گیری آنها در خصوصیاتی از قبیل مقاومت کششی تأثیری گذارد.

2- نوع پیش زمینه 3- طراحی پریفرم 4- شرایط پروسس: الف.

حین پرولیز، کامپوزیت متحمل 60% تا 65% انقباض می شود و این امر منجر به تخریب خواص کامپوزیت می گردد.

ب.

عدم انطباق ضرایب انبساط حرارتی الیاف در زمینه نیز حین عملیات حرارتی منجر به ایجاد تنش و در نتیجه تخریب خواص کامپوزیت می شود.

ج.

تبدیل فصل مشترک الیاف کربن – ماده آلی به الیاف کربن – کربن نیز در خواص تأثیر می گذارد.

طبیعت این فصل مشترک به شرایط پروسس وابسته است و طبیعت آن خواص کربن – کربن را تعیین می نماید.

د.در اثر عملیات حرارتی خواص خود الیاف نیز تغیر می یابد مثلا در مورد الیافی که کاملا گرافیته نشده اند با عملیات حرارتی (002)d کاهش و Lc افزایش می یابد یعنی این الیاف بیشتر گرافیته می شوند لذا مقاومت کششی ازدیاد می یابد.

ه.

در اثر پیرولیز و خروج گازهای خورنده مانند آمونیاک و Co خصوصیات خوب الیاف تخریب می شود.

تحقیقات جهت بررسی اثردانسیته بر روی استحکام کششی کامپوزیت های کربن – کربن انجام شد.

در این بررسی ها تنش و کرنش شکست کامپوزیت زمینه کربن تقویت شده با فیبر کربن (C-Cs) به عنوان تابعی از دانسیته مطالعه شد.

این مطالعات نشان داد که با افزایش دانسیته، استحکام فصل مشترکC-Cs به طور یکنواخت افزایش می یابد و کرنش شکست کششی کاهش می یابد.

بررسی مکانیزم شکست کششی C-Cs نشان داد که در مناطقی که دانسیته پایین است، توانایی انتقال بار در فصل مشترک زمینه – فیبر و در مناطقی که دانسیته بالا است، تمرکز تنش در نوک ترک زمینه در شکست کششی C-Cs فاکتورهای اصلی می باشند.

در شکست کششی، تنشی که باعث جدایش در فصل مشترک می شود در شکست کششی نقش مهمی دارد و لغزش فصل مشترک فاکتور اصلی نمی باشد.

البته جهت مشخص شدن مکانیزم های تسلیم، اثر فاکتورهای مختلف شامل عملیات حرارتی، استحکام فصل مشترک ماتریس – فیبر و عیوب در C-Cs باید مورد بررسی قرار گیرد.

مدلهای آماری نشان می دهد که خواص فصل مشترک زمینه – فیبر اثر قابل ملاحظه ای بر کرنش شکست کششی نهایی کامپوزیت زمینه سرامیکی تقویت شده با فیبر پیوسته (CFCCS) دارد.

البته C-Cs رفتار کششی مشابهی را نشان می دهد.

با کم شدن پیوند فصل مشترک استحکام کششیC-C بهبود می یابد.

بررسی های مختلف نشان می دهد که استحکام کششی C-Cs با افزایش استحکام فصل مشترک فیبر – زمینه کاهش می یابد.

با افزایش دانسیتهC-C پیوند فصل مشترک بهبود می یابد.

عملیات ساخت 2D-C-Cs که با فیبر کربنی با استحکام بالا IM-600 تقویت شده است در شکل 8 نشان داده شده است.

2D-C-Cs اولیه یک کامپوزیت رزین فنولیک تقویت شده با الیاف کربنی (CFRP) با ضخامت 2mm است.

کسر حجمی فیبر VF، 65% است.

CFRP در دمای 1273K کربونیزه شده و پروسه ساخت در دو مسیر رخ می دهد.

مسیر اول متد(RC) resin cher است.رزین در دمای 1237k کربونیزه شده و عملیات حرارتی در 2273k برای 6-1 سیکل تکرار می شود.

در مسیر دوم بعد از کربونیزه شدن ، مواد 5-1 سیکل عملیات HIP انجام می شود.

پروسه HIP تحت فشار 100Mpa و در 923k انجام می شود و در 1273k کربونیز شده و در 2573k عملیات حرارتی انجام می شود.

پروسه RC و HIP جهت بدست آوردن C-Cs با دانسیته کم و زیاد انجام می شود.

3D-C-Cs با روش مشابه اقتباس شده جهت ساخت 2D-C-Cs برای مقایسه رفتار شکست کششی 3D-C-C و 2D ساخته شد.

فیبر تقویت کننده در 3D-C-Cs ، IM-600 می باشد.

کسر حجمی تقویت کننده ها برای3D-C-Cs در سه جهت z وy وx ، 3 و13 و%40 است.

, و استحکام کششی و روابط کرنش – تنش C-Cs در مراحل مختلف densi fication با استفاده از نمونه های نشان داده شده در شکل 9 تعیین شد.

استحکام فصل مشترک C-Cs با استفاده از متد(FBP) Fiber – bundle push – out مطابق شکل 10 ارزیابی شد.

در این روش بوسیله بار ایجاد شده توسط indenter به یک لایه یا دسته الیاف ، که الیاف به طور موازی با جهت بار اعمال شده قرار می گیرند در فصل مشترک شکست رخمی دهد شکل 11 ضخامت لایه 2D-C-Cs حدود 125μmوضخامت دسته،t ، 3D-C-Cs ،200-300μm می باشد.

قطر 50μm ,indenter است.

شکل 12 ریز ساختار C-Cs را نشان می دهد.

شکل a12 یک مقطع از 2D-RC-C-Cs با دانسیته کم می باشد.

فضای خالی در زمینه پراکنده است و این فضای خالی توسط densification پر می شود b12 در 2D-RC-C-Cs (a-c) خسارات شدید در فصل مشترک فیبر- زمینه مشاهده می شود در مقابل درHIP -C-Cs (d) و (e) ، خسارات فصل مشترک کم است.

با مقایسه d و e ،3D-HIP-C-C جدایش فصل مشترک بیشتری نسبت به 2D-HIP-C-C دارد.

در شکل d به خصوص در نزدیکی فصل مشترک زمینه – فیبر زمینه – فیبر بافت لامل کمی مشاهده می شود.

که این بافت در تمام زمینه e توسعه می یابد.

این بافت نشان دهنده ساختار گرافیتی گسترش یافته بوسیله دما و فشار بالا را نشان می دهد.

منحنی بار که توسط آزمایش FBP بدست آمده است در شکل 13 دیده می شود.

جدایش فصل مشترک زمینه – فیبر تحت بار ماکزییم Fmax رخ می دهد و لغزش فصل مشترک تحت بار Fs ایجاد می شود.

بنابراین تنش جدایش τd و تنش لغزش τs توسط معادله زیر حساب می شود.

L طول رشته فیبرهای جدایش شده می باشد و t ضخامت نمونه است.

τs , τd تابع ضخامت و قطر indenter است.

شکل 14 استحکام کششی uδ 2D-C-C , را به عنوان تابعی از دانسیته (ρ) را نشان می دهد.RC-2273k و RC-2573k وHIP-2573k مسیر عملیات را نشان می دهد.

پروسه ها HIP یا resin char و در نهایت HTTs به ترتیب می باشند.

همانطور که در شکل مشخص است δu RC-C-C , ، با افزایش ρ ،افزایش می یابد.

اما δu , HIP-C-C کاهش می یابد.

در حالیکه کرنش شکست کششی (εus) درهردوC-Cs با افزایش ρ کاهش می یابد.

وابستگی تنش – کرنش نمونه های C-C در شکل 15 نشان داده شده است.

مدول یانگ Ec RC-C-Cs ، تعیین شد و با مقدار تخمین زده شده از روی نقش ترکیب مقایسه شد.

مواد مورد استفاده در جدول 1 مشخص است.

جهت تخمین مدول یانگ از معادله Halpin – Tsai استفاده شد و فرض شد که همه عیوب در زمینه پراکنده هستند و شکل جای خالی کروی است.

مشاهدات ومحاسبات 2D-RC-C-CS , ECS در شکل 16 نشان داده شده است.

این مقایسه نشان می دهد که دانسیته به مقدار ECS وابسته است و شیب خط چین از مقدار مشاهده شده کمتر است.

زمانیکه مدول یانگ فیبر از ماتریس بالاتر است این کاهش مربوط به فیبر تقویت کننده می باشد.

در تست کشش ، RC-C-CS دانسیته پایین، معمولا ازلایه های سطحی می شکند و شکست نمونه ها غالبا شامل لغزش لایه های داخلی نزدیک سطح است.

به خصوص اگر دانسیته C-C کم می باشد.

در تست کشش بار ایجاد شده از سطح به مرکز بوسیله تنش برشی منتقل می شود وقتی دانسیته C-C کم باشد استحکام برشی با کاهش دانسیته کمتر می شود.

این استحکام برشی کم باعث توانایی انتقال بار کم از خارج به داخل C-C می شود.بنابراین بارکششی به مقدار کافی به مرکز نمونه کششی منتقل نمی شود.

و بار بوسیله لایه های نزدیک سطح تحمل می شود.