Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và màng phủ ZrC đến tính chất cơ học và khả năng chống hao tổn nhiệt của compozit cacbon - cacbon

Bài viết này trình bày các khảo sát về ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt đến cơ tính của vật liệu compozit cacbon-cacbon (độ bền nén, mô đun đàn hồi khi nén…) và khảo sát ảnh hưởng của màng ZrC đến khả năng chịu sốc nhiệt, chịu xói mòn nhiệt của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và màng phủ ZrC đến tính chất cơ học và khả năng chống hao tổn nhiệt của compozit cacbon - cacbonTạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 32, Số 4 (2016) 228-235Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và màng phủ ZrCđến tính chất cơ học và khả năng chống hao tổn nhiệtcủa compozit cacbon - cacbonVũ Minh Thành1, Lê Văn Thụ2,*12Viện Hóa học-Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sựViện Kỹ thuật Hoá học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công anNhận ngày 24 tháng 7 năm 2016Chỉnh sửa ngày 23 tháng 8 năm 2016; chấp nhận đăng ngày 01 tháng 9 năm 2016Tóm tắt: Trong công nghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon, quá trình xử lý nhiệt đóngvai trò rất quan trọng, quyết định đến cấu trúc, sự ổn định tổ chức cũng như khả năng chịu nhiệtcủa vật liệu. Để tăng khả năng làm việc trong môi trường oxi hóa ở nhiệt độ cao (> 2000oC), vậtliệu compozit cacbon-cacbon được phủ thêm màng ZrC. Quá trình xử lý nhiệt (XLN) kết hợp vớithấm cacbon từ thể khí (CVI) giúp tăng tính chất cơ học của vật liệu compozit cacbon-cacbon. Sau4 chu kỳ CVI-XLN, độ bền nén và mô đun đàn hồi của vật liệu khi nén đạt 115 MPa và 4,27 GPa,tăng 114% và 364% tương ứng so với mẫu compozit cacbon-cacbon ban đầu. Vật liệu thu đượcsau 4 chu kỳ CVI-XLN có khả năng chịu nhiệt tốt, không bị nứt trên bề mặt, tuy nhiên trong vi cấutrúc đã xuất hiện những lỗ xốp do quá trình oxi hóa vật liệu ở nhiệt độ cao. Màng phủ ZrC đã khắcphục được hiện tượng oxi hóa bề mặt vật liệu compozit cacbon-cacbon do hình thành được màngZrO2 trên bề mặt vật liệu ở nhiệt độ cao.Từ khóa: Compozit cacbon-cacbon, màng ZrC, CVI, xử lý nhiệt.1. Đặt vấn đề∗lâu dài ở nhiệt độ đến 500ºC trong môi trườngoxi hóa và ở nhiệt độ đến 3000ºC trong môitrường khí trơ hoặc chân không [1]. Trong côngnghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon,quá trình xử lý nhiệt đóng vai trò rất quantrọng, quyết định đến cấu trúc, sự ổn định tổchức cũng như khả năng chịu nhiệt của vật liệu[2-5]. Để tăng khả năng làm việc trong môitrường oxi hóa, vật liệu compozit cacboncacbon thường được phủ thêm màng cacbit(SiC, ZrC, HfC...) [7, 8] và được ứng dụng rộngrãi để chế tạo các chi tiết chịu nhiệt trong loaphụt của động cơ khí cụ bay nói chung và tuy-etên lửa nói riêng. Bài báo này trình bày cáckhảo sát về ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệtđến cơ tính của vật liệu compozit cacbon-cacbon(độ bền nén, mô đun đàn hồi khi nén…) và khảoVật liệu compozit cacbon-cacbon là vật liệutổ hợp có nền là cacbon và cốt là sợi cacbon vàcó nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuậthàng không, công nghệ vũ trụ và an ninh, quốcphòng. Tính chất ưu việt của vật liệu compozitcacbon-cacbon là khả năng chịu nhiệt cao, khốilượng riêng nhỏ, bền với sự sốc nhiệt và bức xạ.Loại vật liệu này có các thông số về độ bền vàđộ cứng cao ở cả nhiệt độ thường và nhiệt độcao, có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thấp vàhàng loạt các tính chất quý giá khác. Vật liệucompozit cacbon-cacbon có khả năng làm việc_______∗Tác giả liên hệ. ĐT: 84-989099584E-mail: thulv81@yahoo.com228V.M. Thành, L.V. Thụ / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 32, Số 4 (2016) 228-235sát ảnh hưởng của màng ZrC đến khả năng chịusốc nhiệt, chịu xói mòn nhiệt của vật liệu.2. Thực nghiệm2.1. Hóa chấtỐng nano cacbon đa tường (MWCNT),đường kính ống 10÷30 nm, chiều dài ống10÷100 µm, độ tinh khiết >90% (tổng hợp tạiViện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ ViệtNam, Việt Nam); sợi cacbon môđun đàn hồicao mác Culon-500, khối lượng riêng 1,9 g/cm3(Argon, Nga); bột graphit, kích thước hạt 99% (Trung Quốc); nhựaphenolformandehit (PF) dạng novolac (tổnghợp tại Viện Hóa học - Vật liệu/ Viện Khoa họccông nghệ quân sự); etanol (C2H5OH), độ tinhkhiết >99,7% (Xilong, Trung Quốc);hexametylen tetramin (C6H12N4), độ tinh khiết>99% (Xilong, Trung Quốc); khí argon (Ar), độtinh khiết >99% (Singapo); khí nito (N2), độtinh khiết >99% (Singapo); khí metan (CH4), độtinh khiết >99% (Xilong, Trung Quốc); khípropan (C3H8), độ tinh khiết >99% (Xilong,Trung Quốc).2.2. Chế tạo compozit cacbon-cacbonBề mặt sợi cacbon được xử lý ở 400ºC, thờigian 2 giờ, trong môi trường không khí. Chấtkết dính được chế tạo bằng cách: hòa tan 2 gMWCNTs đã biến tính vào 98 g etanol bằngphương pháp rung siêu âm trong 2 giờ thu đượcdung dịch A. Cân 15 g nhựa PF và 1,8 ghexametylen tetramin (bằng 12% khối lượngnhựa PF), sau đó hòa tan vào 100 g dung dịch Abằng máy khuấy từ thu được dung dịch PF.Trộn đều 93 g bột graphit và 5 g sợi cacbon vàodung dịch PF thu được hỗn hợp bột graphit, sợicacbon, ống nano cacbon và nhựaphenolformandehit (G-CF-CNT/PF). Hỗn hợptrên được sấy ở 80ºC trong 3 giờ để loại bỏ hếtdung môi. Hỗn hợp sau khi sấy được ép tạo229hình trên máy ép gia nhiệt với chế độ: áp lực ép150 kgf/cm2; giữ đẳng nhiệt ở nhiệt độ ép120ºC trong 30 phút và ở 165ºC trong 30 phút,mẫu được làm nguội tự nhiên th ...