Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến cấu trúc và tính chất của phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon - cacbon

Phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon trên cơ sở vải cacbon, bột nano graphit, nhựa phenolfomandehit dạng novolac được chế tạo bằng phương pháp ép thủy lực có gia nhiệt. Tính chất nhiệt của nhựa nền phenolfomandehit được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng, tỷ trọng biểu kiến, độ xốp của vật liệu được xác định bằng phương pháp cân thủy tĩnh, cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp chụp ảnh SEM.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến cấu trúc và tính chất của phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon - cacbon Hóa học & Môi trường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN PHỐI LIỆU ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA PHÔI BAN ĐẦU VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON - CACBON Vũ Minh Thành1*, Phạm Tuấn Anh1,2, Đào Hồng Bách2, Trần Thị Thu Trang3, Vũ Thu Thuỷ3, Lê Văn Thụ4, Công Tiến Dũng5 Tóm tắt: Phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon trên cơ sở vải cacbon, bột nano graphit, nhựa phenolfomandehit dạng novolac được chế tạo bằng phương pháp ép thủy lực có gia nhiệt. Tính chất nhiệt của nhựa nền phenolfomandehit được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng; Tỷ trọng biểu kiến, độ xốp của vật liệu được xác định bằng phương pháp cân thủy tĩnh; Cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp chụp ảnh SEM. Kết quả cho thấy, mẫu vật liệu với hàm lượng nhựa nền 25 % có cấu trúc đồng đều, nhựa nền và cốt vải cacbon liên kết chặt chẽ với nhau; Tỷ trọng của mẫu đạt 1,737 g/cm3. Sau khi phân hủy nhiệt mẫu vật liệu với hàm lượng nhựa nền 25 % vẫn giữ nguyên được cấu trúc, không xuất hiện hiện tượng tách lớp giữa các lớp vải; tỷ trọng đạt 1,654 g/cm3, độ xốp kín thấp (13,318 %) và độ xốp hở cao (13,658 %). Từ khóa: Compozit cacbon-cacbon; Vải cacbon; Bột nano graphit; Nhựa phenolfomandehit. 1. MỞ ĐẦU Sự phát triển của các ngành công nghệ cao, đặc biệt là các ngành hàng không vũ trụ, chế tạo tên lửa, năng lượng nguyên tử luôn đi liền với sự phát triển của công nghệ vật liệu và sự ra đời của các vật liệu mới với những tính chất cơ, lý, hóa đặc biệt. Với khả năng đáp ứng được nhiều đòi hỏi khắt khe về điều kiện làm việc của một số kết cấu như phải chịu được sự thay đổi nhiệt độ đột ngột (có thể đến 1000 K/cm), hay độ bền cơ học cao (độ bền kéo của chúng có thể đạt từ 100 đến 1000 MPa), vật liệu compozit cacbon-cacbon đã trở thành vật liệu chiến lược hàng đầu. Mặc dù việc ứng dụng vật liệu compozit cacbon-cacbon cũng chỉ mới bắt đầu trong vòng vài chục năm gần đây nhưng chúng không những đã phục vụ đắc lực cho công nghệ hàng không, tên lửa, vũ trụ, mà còn mở ra những triển vọng to lớn ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác. Vật liệu compozit cacbon-cacbon giữ một vị trí then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới. Hiện nay, có ba phương pháp chính chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon từ phôi cốt sợi: phương pháp lắng đọng cacbon từ thể khí vào phôi cốt sợi (CVI) (phương pháp pha khí); phương pháp tẩm nhựa (nhựa nhiệt rắn hoặc hắc ín) lên phôi cốt sợi, sau đó, cacbon hóa và graphit hóa (phương pháp pha lỏng); kết hợp giữa tẩm nhựa và cacbon hóa với lắng đọng cacbon từ thể khí (phương pháp kết hợp). Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào yêu cầu về tính chất của vật liệu cần đạt (tỷ trọng, cơ lý tính), kích thước, hình dáng của sản phẩm, từ đó lựa chọn tiền chất thích hợp để chế tạo nền cacbon. Phương pháp CVI thích hợp với những mẫu có tiết diện mỏng, còn đối với những mẫu có tiết diện dày lại thích hợp sử dụng phương pháp tẩm nhựa từ pha lỏng (nhựa nhiệt rắn hoặc hắc ín). Trong công nghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon, việc chế tạo phôi ban đầu đóng vai trò rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu thành phẩm, cũng như ảnh hưởng đến việc lựa chọn các phương pháp công nghệ tiếp theo. Bài báo tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thành phần phối liệu (cụ thể là hàm lượng nhựa nền) đến cấu trúc và tính chất của phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon trên cơ sở vải cacbon, bột nano graphit và nhựa phenolfomandehit (PF) dạng novolac. 100 V. M. Thành, …, C. T. Dũng, “Nghiên cứu ảnh hưởng … vật liệu compozit cacbon-cacbon.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu Vải cacbon mác Culon-500 (CF). Bột nano graphit (G), kích thước hạt, hàm lượng cacbon > 99 %, khối lượng riêng 2,08 g/cm3 (Pháp). Nhựa phenolfomaldehit dạng novolac (tổng hợp tại Viện Hóa học - Vật liệu từ phenol (C6H5OH), loại PA (Xilong, Trung Quốc) và fomaldehit (CH2O), loại PA (Xilong, Trung Quốc)). Etanol (C2H5OH), độ tinh khiết > 99,7 % (Xilong, Trung Quốc). Hexametylen tetramin (C6H12N4), độ tinh khiết > 99 % (Xilong, Trung Quốc). 2.2. Chế tạo phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon Tiến hành chế tạo phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon trên cơ sở vải cacbon, bột nano graphit và nhựa PF dạng novolac với hàm lượng vải cacbon cố định là 40 %, hàm lượng nhựa PF thay đổi lần lượt là 15; 20; 25; 30; 35 % (khi đó, hàm lượng bột nano graphit tương ứng lần lượt là 45; 40; 35; 30; 25 %). Các mẫu được ký hiệu tương ứng lần lượt là M15, M20, M25, M30 và M35. Hình 1. Khuôn ép chế tạo phôi ban đầu Hình 2. Phôi ban đầu compozit cacbon- compozit cacbon-cacbon. cacbon sau khi chế tạo. Các bước tiến hành chế tạo phôi ban đ ...