Investigating the impact of the porous structure of needle-punched preform-based carbon-carbon composites on the completeness of liquid silicon infiltration
https://doi.org/10.17073/0021-3438-2024-4-54-65
Abstract
Currently, siliconized carbon-carbon composites (C/C composites) hold a significant position among materials used in nonferrous metallurgy. The process of Liquid Silicon Infiltration (LSI) for porous C/C composites is strongly inf luenced by their microstructural characteristics. Studying the effect of the porous structure of various C/C composites on the completeness of silicon infiltration can enable the regulation of the phase composition of siliconized materials over a wide range, as well as the physical, mechanical, and thermophysical properties of C/C–SiC composites. This paper presents the results of analyzing the porous structure and strength characteristics of C/C composites based on needle-punched preforms with different types of carbon matrices (pyrocarbon, natural and synthetic pitch coke, and phenol-formaldehyde resin coke) and the C/C–SiC composites derived from them. Due to the specific features of carbon matrix formation from liquid or gas phases, differences in pore size distribution were observed. A carbon matrix formed by the gas-phase method exhibits fewer nanoscale pores compared to one formed by the liquid-phase method. The inf luence of the pore structure and the nature of the matrix carbon in various needle-punched preforms on the degree of saturation during LSI, infiltration depth, and mechanical properties was determined.
About the Authors
K. V. Petrovskaya
Joint Stock Company “Kompozit”
Russian Federation
Russian Federation
Kristina V. Petrovskaya – Еngineer
4 Pionerskaya Str., Korolev, Moscow Region 141070
P. A. Timofeev
Joint Stock Company “Kompozit”
Russian Federation
Russian Federation
Pavel A. Timofeev – Cand. Sci. (Eng.), Head of the Department
4 Pionerskaya Str., Korolev, Moscow Region 141070
References
1. Тарабанов А.С., Костиков В.И. Силицированный графит. М.: Металлургия, 1977. 158 с.
2. Бушуев Ю.Г. Углерод-углеродные композиционные материалы. М.: Металлургия, 1994. 196 с.
3. Deborah D.L. Chung. Carbon composites: composites with carbon fibers, nanofibers, and nanotubes New York; Buffalo: Imprint Butterworth-Heinemann, 2017. 682 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-02567-1
4. Kumar S., Kumar A., Shukla A., Gupta A.K., Devi R. Capillary infiltration studies of liquids into 3D-stitched C—C preforms. Part A: Internal pore characterization by solvent infiltration, mercury porosimetry, and permeability studies. Journal of the European Ceramic Society. 2009;29(12):2643—2650. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.03.007
5. Niu Z., Li Z., Xiao P., Li J., Li Z., Ou-yang X., Li Y. Influence of h-BN as additive on microstructure and oxidation mechanism C/C-SiC composites. Journal of the European Ceramic Society. 2019;39(15):4634—4644. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.06.032
6. Швецов А.А. Исследование взаимодействия углерода с расплавом кремния в процессе получения силицированного графита: Дис. … канд. техн. наук. М.: РХТУ, 2019.
7. Zhang K.X., Guo X.S., Cheng Y.X., Zhang F.Q., He L.L. TEM study on the morphology and interface microstructure of C/C-SiC composites fabricated by liquid infiltration. Materials Characterization. 2021;175:1—7. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111055
8. Tong Y., Bai S., Liang X., Qin Q., Zhai J. Reactive melt infiltaration fabrication of C/C-SiC composites: Wetting and infiltration. Ceramics International. 2016;42(15):17174—17178. https://doi.org/1016/j.ceramint.2016.08.007
9. Кошелев Ю.И., Бубненков И.А., Швецов А.А., Бардин Н.Г. Силицированный графит: физико-химические основы получения и перспективы развития. Часть 2. Влияние структурных особенностей углеродных материалов на степень их взаимодействия с кремнием. Техника и технология силикатов. 2017;24(2):6—11. URL: https://www.researchgate.net/publication/320148525 (дата обращения: 05.03.2024).
10. Zhang Y., Xiao Z., Wang J., Yang J., Jin Z. Effect of pyrocarbon content in C/C preforms on microstructure and mechanical properties on the C/C-SiC composites. Materials Science and Engineering: A. 2009; 502(1-2):64—69. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.11.026
11. Tang J., Liu M., Wei Y., Yang Y., Huang Z. An efficient and low-cost liquid silicon infiltration method to prepare SiC-coated carbon short fiber for fiber protection of Cf/SiC ceramic matrix composites. Ceramics International. 2021;47(9):13235—13241. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.115
12. Тюрина С.А., Юдин Г.А., Дальская Г.Ю., Демин В.Л., Андреева С.А. Особенности структурообразования композиционного материала С—SiC в процессе инфильтрации углеродной основы жидким кремнием (LSI — Liquid Silicon Infiltration). Международный научно-исследовательский журнал. 2023;3(129):1—10. https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.129.24
13. Гаршин А.П., Кулик В.И., Нилов А.С. Анализ возникновения, характеристика и способы минимизации технологических дефектов в керамических композитах с SiC-матрицей, получаемых методом жидкофазного силицирования. Новые огнеупоры. 2019;(8):23—33. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-8-23-33
14. Шикунов С.Л. Новые подходы к получению высокотемпературных карбидокремниевых керамических материалов и изделий из них: Дис. … канд. техн. наук. Черноголовка: ИФТТ РАН, 2020.
15. Панин М.И., Гареев А.Р., Карпов А.П., Максимова Д.С., Корчинский Н.А. Анализ текстильных структур армирующих компонентов композиционных материалов и выбор областей их применения. Вестник МГТУ. Cер. Машиностроение. 2023;(2):15—28. https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-2-15-28
16. Колесников С.А., Максимова Д.С. Формирование физико-механических характеристик углерод-углеродных материалов при изостатической технологии получения углеродной матрицы. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2018;61(11):50—61. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20186111.14
17. Tzeng S., Pan J. Densification of two-dimensional carbon/carbon composites by pitch impregnation. Materials Science and Engineering. 2001;316(1-2): 127—34. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01255-2
18. Casal E., Granda M., Bermejo J., Bonhomme J., Menéndez R. Influence of porosity on the apparent interlaminar shear strength of pitch-based unidirectional C—C composites. Carbon. 2001;39(1):73—82. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00085-3
19. Hue R., Wang Z., Zhang Z., Zhang N., Zhang Y., Xia H., Xiao Z., Wang J. Anisotropic tribological behavior of LSI based 2.5D needle-punched carbon fiber reinforced C/C-SiC composites. Ceramics International. 2022;48(15):21283—21292. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.04.071
20. Михеев П.В., Бухаров С.В., Лебедев А.К., Тащилов С.В. Моделирование схем пространственного армирования многослойных волокнистых преформ УУКМ. Успехи кибернетики. 2022;3(3):63—73. https://doi.org/10.51790/2712-9942-2022-3-3-7
21. Chao X., Qi L., Tian W., Hou X., Ma W., Li H. Numerical evaluation of the influence of porosity on bending properties of 2D carbon/carbon composites. Composites Part B: Engineering. 2017;(136):72—80. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.10.027
22. Chaoa X., Qia L., Tiana W., Lub Y., Lib H. Potential of porous pyrolytic carbon for producing zero thermal expansion coefficient composites: A multi-scale numerical evaluation. Composite Structure. 2020;(235): 111819. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111819
23. Папкова М.В., Магнитский И.В., Тащилов С.В., Дворецкий А.Э. Определение характеристик пироуглеродной матрицы в углерод-углеродных композиционных материалах. Известия вузов. Химия и химическая технология. 2021;64(5):44—49. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216405.6352
24. Магнитская М.В., Магнитский М.В., Тащилов С.В., Цветков Д.А. Влияние высокотемпературной обработки на механические характеристики углеродуглеродных композиционных материалов на основе пироуглеродной матрицы. Вестник ПНИПУ. Механика. 2022;(4):5—12. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2022.4.01
25. Ильющенко А.Ф., Прохоров О.А., Кривуленко Н.В. Повышение эффективности уплотнения в технологиях изготовления высокоплотных углерод-углеродных композиционных материалов. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2022;66(5): 544—551. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2022-66-5-544-551
26. Dang A., Li H., Zhao T., Xiong C., Zhuang Q., Shang Y., Chen X., Ji X. Preparation and pyrolysis behavior of modified coal tar pitch as C/C composites matrix precursor. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016;(119):18—23. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.04.002
27. Ren C.Q., Li T.H., Lin Q.L., Li H., Sun X.Y. Preparation of carbon materials by modeling of impregnating coal-tar pitch into carbon preform. Journal of Materials Processing Technology. 2006;172(3):424—430. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.11.003
28. Тимофеев П.А. Формирование матриц композиционных материалов из карбидов, нитридов и боридов кремния методом пиролиза полимерных прекурсоров: Дис. … канд. техн. наук. М.: МИСИС, 2017.
Review
For citations:
Petrovskaya K.V., Timofeev P.A. Investigating the impact of the porous structure of needle-punched preform-based carbon-carbon composites on the completeness of liquid silicon infiltration. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2024;(4):54-65. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2024-4-54-65
Views:
136
Email this article 