ساخت کامپوزیت‌های کربن-کربن دوبعدی بر پایه قیر

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران، تهران

2 استادیار، مرکز مواد پیشرفته و نانوفناوری، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران

3 کارشناس ارشد، گروه نانوشیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

خواص ویژه کربن مانند استحکام و سختی بالا، مقاومت شیمیایی خوب، رسانایی الکتریکی بالا و پایداری حرارتی مناسب در محیط‌های غیراکسید‌کننده باعث شده است که مواد کربنی به طور گسترده برای کاربردهای نسوز، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی و بسیاری دیگر از کاربردهای هوافضا، الکتریکی و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کامپوزیت‌های کربن-کربن دسته‌ای از مواد کربنی دارای دو جزء الیاف و زمینه هستند، به طوری که خواص هر جزء نقش مهمی را در تعیین خواص منحصربه‌فرد کامپوزیت نهایی ایفا می‌کنند. حفظ خواص مکانیکی عالی این کامپوزیت‌ها در دماهای بالاتر از 2000C، باعث برتری آن‌ها نسبت به سوپرآلیاژها و سرامیک‌ها در زمینه کاربردهای دما بالا شده است. کامپوزیت‌های کربن-کربن از طریق نفوذ دادن یک پیش‌ماده کربنی با قابلیت تبدیل به گرافیت به درون شبکه‌ای پیش‌ساخته از الیاف کربنی و انجام فرایندهای حرارتی مختلف به منظور تبدیل پیش‌ماده به کربن خالص و قرارگیری درون فضاهای خالی میان الیاف کربنی، به دست می‌آیند. در پژوهش حاضر فرایند ساخت کامپوزیت‌های کربن-کربن از طریق نفوذ قیر، به عنوان یک ماتریس کربنی، در حالت مایع به درون شبکه‌ای پیش‌ساخته با آرایش دو بعدی از الیاف کربنی مورد بررسی قرار گرفته و مراحل مختلف فرایند تولید به طور دقیق معرفی می‌شود.

کلیدواژه‌ها


[1] Dieter, George Ellwood and Bacon, David J. Mechanical metallurgy, vol. 3. McGraw-hill New York, 1986.
[2] Sheehan, JE, Buesking, KW, and Sullivan, BJ. Carboncarbon composites. Annual Review of Materials Science, 24(1):19–44, 1994.
[3] Buckley, John D and Edie, Dan D. Carbon-carbon materials and composites, vol. 1254. William Andrew, 1993.
[4] Raunija, Thakur Sudesh Kumar, Manwatkar, Sushant Krunal, Sharma, Sharad Chandra, and Verma, Anil. Morphological optimization of process parameters of randomly oriented carbon/carbon composite. Carbon letters, 15(1):25–31, 2014.
[5] Fitzer, Erich and Manocha, Lalit M. Carbon reinforcements and carbon/carbon composites. Springer Science & Business Media, 2012.
[6] Kar, Kamal K. Composite materials: processing, applications, characterizations. Springer, 2016.
[7] Bijwe, Jayashree and Rattan, Rekha. Influence of weave of carbon fabric in polyetherimide composites in various wear situations. Wear, 263(7-12):984–991, 2007.
[8] Aly-Hassan, Mohamed S, Hatta, Hiroshi, Wakayama, Shuichi, Watanabe, Mitsuhiro, and Miyagawa, Kiyoshi. Comparison of 2D and 3D carbon/carbon composites with respect to damage and fracture resistance. Carbon, 41(5):1069–1078, 2003.
[9] Hatta, Hiroshi, Goto, Ken, and Aoki, Takuya. Strengths of C/C composites under tensile, shear, and compressive loading: role of interfacial shear strength. Composites science and technology, 65(15-16):2550–2562, 2005.
[10] Gerlach, Robert, Siviour, Clive R, Wiegand, Jens, and Petrinic, Nik. In-plane and through-thickness properties, failure modes, damage and delamination in 3D woven carbon fibre composites subjected to impact loading. Composites Science and Technology, 72(3):397–411, 2012.
[11] Chollon, G, Siron, O, Takahashi, J, Yamauchi, H, Maeda, K, and Kosaka, K. Microstructure and mechanical properties of coal tar pitch-based 2D-C/C composites with a filler addition. Carbon, 39(13):2065–2075, 2001.
[12] Chung, DDL. Carbon Fiber Composites Butterworth. heinemann, Butterworth-Heinemann, MA, USA, 1994.
[13] Zhao, Jian-guo, Li, Ke-zhi, Li, He-jun, and Wang, Chuang. The influence of thermal gradient on pyrocarbon deposition in carbon/carbon composites during the CVI process. Carbon, 44(4):786–791, 2006.
[14] Levenspiel, Octave. Chemical reaction engineering. Industrial & engineering chemistry research, 38(11):4140–4143, 1999.
[15] Windhorst, Torsten and Blount, Gordon. Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications. Materials & Design, 18(1):11–15, 1997.
[16] Engle, Glen B. Method of making carbon-carbon composites, June 8 1993. US Patent 5,217,657.
[17] Li, Hailiang, Li, Hejun, Lu, Jinhua, Zhang, Xiang, and Li, Kezhi. Effects of air oxidation on mesophase pitchbased carbon/carbon composites. Carbon, 49(4):1416– 1422, 2011.
[18] Matzinos, PD, Patrick, JW, and Walker, A. Coal-tar pitch as a matrix precursor for 2-DC/C composites. Carbon, 34(5):639–644, 1996.
[19] Huang, Dai, Lewis, Irwin C, Cate, William David, and Lewis, Richard T. Manufacture of carbon/carbon composites by hot pressing, March 2 2004. US Patent 6,699,427.
[20] Granda, M, Casal, E, Bermejo, J, and Menéndez, R. The influence of primary QI on the oxidation behaviour of pitch-based C/C composites. Carbon, 38(15):2151–2160, 2000.
[21] Fathollahi, B, Chau, PC, and White, JL. Injection and stabilization of mesophase pitch in the fabrication of carbon– carbon composites: Part II. stabilization process. Carbon, 43(1):135–141, 2005.
[22] Metzinger, TH and Hüttinger, KJ. Investigations on the cross-linking of binder pitch matrix of carbon bodies with molecular oxygen–part I. chemistry of reactions between pitch and oxygen. Carbon, 35(7):885–892, 1997.
[23] Raunija, Thakur Sudesh Kumar, Sharma, Sharad Chandra, and Verma, Anil. Yield enhancement of matrix precursor in short carbon fiber reinforced randomly oriented carbon/carbon composite. Carbon Letters (Carbon Lett.), 19:57–65, 2016.
[24] Chung, DDL. Review graphite. Journal of materials science, 37(8):1475–1489, 2002.
[25] Marsh, Harry and Walker Jr, Philip L. The formation of graphitizable carbons via mesophase: chemical and kinetic considerations. Chemistry and physics of carbon, 15:230– 286, 1979.
[26] Raunija, TSK, Gautam, RK, Sharma, SC, and Verma, A. Rapid fabrication of high density c/c composite by coupling of processes. Adv Mater Lett, 8:136, 2017.
[27] Fathollahi, B, Chau, PC, and White, JL. Injection and stabilization of mesophase pitch in the fabrication of carbon– carbon composites. part i. injection process. Carbon, 43(1):125–133, 2005.