TERMIČKA STABILNOST FRIKCIONOG MATERIJALA NA BAZI KARBON/KARBON KOMPOZITA

Aleksandar Devečerski, Zoran Laušević, Laboratorija za materijale, Institut za nuklearne nauke »Vinča«, Beograd

Sadržaj – Ispitivana je termička stabilnost karbon-karbon (C/C) kompozita napravljenog u našoj laboratoriji radi utvrđivanja radnog opsega temperature u kojem se kompozit može koristiti kao frikcioni materijal. Ispitivan je kompozit kao celina a takođe i komponente pojedinačno s ciljem boljeg upoznavanja procesa oksidacije karbonskih materijala. 1. UVOD Kompozitni materijali sve više zamenjuju standardne inženjerske materijale kako zbog svojih fizičko-hemijskih osobina, tako i zbog sve konkurentnije cene, koja je jedan od najbitnijih faktora koji utiču na brzinu ulaska novih materijala u širu primenu. Kompozitni materijali na bazi ugljenika [1] se mogu koristiti u uslovima najvećih termomehaničkih opterećenja gde svi ostali materijali otkazuju. Koriste se na pr. za izradu mlaznica velikh raketa, delove kosmičkih letelica, u automobilskoj i vazduhoplovnoj industriji za izradu kočionih sistema. Kada su u pitanju kočioni sistemi, karbonski materijali su u prednosti nad ostalim komercijalnim frikcionim materijalima ne samo po performansama već i po tome što ne sadrže azbest i slične kancerogene materijale. U ovom radu je ispitivana termička stabilnost karbon-karbon (C/C) kompozita (napravljenog u našoj laboratoriji) u atmosferi protočnog vazduha u cilju određivanja opsega temperature u kojem se navedeni može koristiti kao frikcioni materijal. 2. EKSPERIMENTALNI DEO C/C – kompozit I je napravljen od sledećih komponenti: ugljenična visokomodularna vlakna (»Sigrafil«, Germany), fenolne smole rezolnog tipa (»Latex«, Jugoslavija) i antracita. Komponente su prethodno pomešane a zatim sipane u teflonski kalup u kojem je sprovedena polimerizacija na T=80-150oC. Tako dobijeni komadi su zatim karbonizovani u atmosferi protočnog N2 do T=1000oC. C/C – kompozit II je napravljen od smole i vlakana i karbonizovan pod istim uslovima kao i kompozit I.

Ispitivanje termičke stabilnosti je sprovedeno metodom termogravimetrijske (TG) analize (»Stanton«, England) u atmosferi protočnog vazduha (40ml/min) pri brzini zagrevanja uzorka b=7oC/min.

3. REZULTATI I DISKUSIJA

Na slici 1. su uporedno prikazane TG - krive za C/C-kompozit I i komponente od kojih je sačinjen. Staklasti karbon je ispitivan kao čista komponenta i kao osnova kompozita, koji je dobijen pri istim uslovima karbonizacije kao i čisti staklasti karbon. Možemo videti da kompozit I počinje polako da gubi na masi na T ≈ 400oC –520 oC (V=0,08 %/oC = 0,56 %/min) a da zatim sledi nagli gubitak mase u intervalu T = 520 oC - 620

oC (Vmax = 0,75 % /oC = 5,25 %/min). U intervalu T = 620 oC - 680 oC masa ostaje konstantna, a zatim sledi finalni gubitak mase u intervalu T = 680oC - 900oC gde se reakcija odvija promenljivom brzinom, sve do konstantne mase ostatka. Gubitak mase u intervalu T = 400 oC - 620 oC potiče od reakcije oksidacije staklastog karbona i antracita a zatim u intervalu T = 680 oC - 900 oC dolazi do oksidacije vlakana. Ovo je zaključeno na osnovu posmatranja uzorka odgrejanog u termovagi pod istim uslovima do 650 oC, gde se jasno vidi da od kompozita postoji još samo kvazi 3D struktura sastavljena od ugljeničnih vlakana.

0 200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

Masa

(%)

Temperatura (oC)

kompozit I antracit stakl. karbon vlakna

Slika 1. Uporedni prikaz TG-krivih za kompozit I i komponente

od kojih se sastoji.

Zbornik radova XLVI Konf za ETRAN, Banja Vrućica – Teslić, 4-7 juna 2002, tom IV Proc. XLVI ETRAN Conference, Banja Vrućica – Teslić, June 4-7, 2002, Vol. IV

229

Takođe možemo videti da je kompozit termički nestabilniji od komponenti koje ga sačinjavaju kako po pitanju temperaturskog intervala u kojem se reakcija oksidacije odigrava (∆TR) tako i po pitanju brzine reakcije (Vmax) određene iz nagiba najstrmijeg dela TG – krivih. (Tabela 1.). Kao kriterijumi za poredjenje termičke stabilnosti u Tabeli 1. su date i vrednosti za Tmax koja odgovara temperaturi na kojoj se reakcija odvija brzinom Vmax, kao i za temperature na kojima je gubitak mase dostigao 3% (T3%). Očigledno je da termička stabilnost raste sledećim redosledom: kompozit I > antracit > staklasti karbon > vlakna. Ovakav redosled stabilnosti je u skladu sa literaturnim podacima [2], a s obzirom da je od komponenti, koje čine kompozit, antracit najnestabilniji, pretpostavili smo da je on odgovoran za lošu termičku stabilnost kompozita I. Ovu pretpostavku je podržala i činjenica da čist antracit najpre dobija na masi (oko 1,5%), verovatno usled adsorpcije kiseonika, a što ukazuje na postojanje velikog broja aktivnih centara na površini antracita, koji su ujedno i uzrok njegove loše termičke stabilnosti. Stoga smo napravili kompozit II, koji se sastoji samo od staklastog karbona i vlakana, s pretpostavkom da će biti termički stabilniji od kompozita I. TG-kriva ovog kompozita je data na slici 2., zajedno sa TG-krivom kompozita I. Relevantni podaci za kompozit II (Tmax, Vmax, itd.) su takođe dati u Tabeli 1. Suprotno očekivanju, kompozit II je pokazao lošiju termičku stabilnost u poređenju sa kompozitom I (niža vrednost za Tmax i ∆TR ).

S obzirom na dobijene rezultate izveli smo sledeći zaključak: premda su i kompoziti I i II karbonizovani pod istim uslovima kao i čist staklasti karbon, očito je da je staklasti karbon koji se nalazi u kompozitima termički nestabilniji od čistog staklastog karbona. S obzirom da je poznato [2] da reakcija oksidacije kompozita, počinje najpre na graničnoj površini osnova / karbonska vlakna, očigledno je da je naslabija karika u lancu termičke stabilnosti kompozita I i II, upravo spoj staklasti karbon / vlakna, a ne antracit .

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

Masa

(%)

Temperatura (oC)

kompozit II kompozit I

Slika 2. TG-krive kompozita I i II.

Na osnovu slike 2. i podataka iz tabele 1., možemo zaključiti da antracit čak na određeni način doprinosi termičkoj stabilnosti kompozita I (u odnosu na kompozit II) tj. Tmax i ∆TR je veće za kompozit I, dok je s druge strane gledano, vrednost Vmax za kompozit I skoro dvostruko veća nego za kompozit II. Veća vrednost za Vmax kompozita I, je verovatno u vezi sa porastom mase koji je zapažen kod antracita usled adsorpcije kiseonika, ali je neophodno detaljnije proučavanje procesa koji se odvijaju između komponenti u kompozitima tokom reakcije oksidacije, da bi se ovakva ponašanja sa sigurnošću objasnila.

Tabela 1.

Parametri termičke stabilnosti

T3% (oC)

Tmax (oC)

Vmax (%/oC)

∆TR (oC)

Kompozit I

460 600 0,75 380-880

Kompozit II

450 520 0,43 380-780

Antracit 520 620 0,30 500-960 Staklasti karbon

650 850 0,38 610-1010

Vlakna 720 ≈ 900 0,37 680-1080

Zapaženo je i da su čista vlakna stabilnija od vlakana koja se nalaze u kompozitima, verovatno upravo zbog toga što u kompozitima reakcija oksidacije počinje na spoju staklasti karbon/vlakna, a što najverovatnije dovodi do oštećenja vlakana i do toga da se reakcija oksidacije vlakana brže odigra (Vmax oksidacije vlakana u kompozitu II iznosi 0,46 %/ oC , Tmax=660oC a ∆TR=580-780oC; u kompozitu I ∆TR=680-880oC za oksidaciju vlakana).

Takođe su na osnovu Redhead-ovog [3] metoda položaja Tmax određene i energije aktivacije (Ea) za proces oksidacije u kompozitima i komponentama (Tabela 2.). Vrednosti Ea za kompozite I i II se odnose na prvi stupanj oksidacije (prvi gubitak mase).

Tabela 2.

Vrednosti energije aktivacije za reakciju oksidacije

Ea (kJ/mol) Kompozit I 273 Kompozit II 247

Antracit 279 Staklasti karbon 353

Vlakna ≈370 S obzirom da su Tmax određivane sa DTG-krivih tj. na

osnovu položaja Vmax, vrednosti Ea ne treba uzimati kao

230

apsolutne, već kao relativne vrednosti koje su pogodne za korišćenje kao kriterijum termičke stabilnosti materijala. Očigledno je da za termički stabilnije materijale Ea ima veće vrednosti, a što je i logično s obzirom da metod izračunavanja istih bazira upravo na vezi Ea = f(Tmax).

Vrednosti Vmax za kompozite i komponente ukazuju da se čiste komponente oksiduju sporije od kompozita, pri čemu je vrednost Vmax za kompozit I dvostruko veća od vrednosti za komponente i za oko 40% veća od vrednosti Vmax za kompozit II. Uzrok ovakvog ponašanja verovatno leži u navedenom procesu koji se odvija na granici osnova/vlakna, kao i činjenici da se kompoziti I i II razlikuju samo po tome što II ne sadrži antracit kao punilac. Utvrđivanje tačnog mehanizma odgovornog za ovakvo ponašanje zahteva dalja istraživanja.

S obzirom da je maksimalna temperatura na testu frikcionih osobina [4] C/C-kompozita, koji po sastavu odgovara kompozitu I, iznosila 300oC, možemo reći da u pogledu termičke stabilnosti kompozit I zadovoljava potrebne uslove, a da se uočeno povećano habanje kompozita (u poređenju sa komercijalnim frikcionim materijalom) na testu, ne može pripisati njegovoj termičkoj (ne)stabilnosti, već pre njegovim lošijim mehaničkim osobinama.

Na osnovu prikazanih rezultata takođe je jasno da se kompozit I ne može koristiti kao frikcioni materijal u avionskim kočionim sistemima gde temperatura može da dostigne i više od 1000oC [5], pa čak ni u trkačkim vozilima gde radna temperatura kočnica dostiže 400 oC-600 oC. Za primenu u ovakvim radnim uslovima, potrebno je isprobati i druge metode dobijanja C/C-kompozita, koji će moći da odgovore zahtevima koje pred njih postavljalju režimi rada u teškim vozilima i vozilima gde se postižu brzine daleko veće od onih u lakim putničkim vozilima. Radi ilustracije u Tabeli 3. su dati rezultati »toplog« testa frikcionih osobina C/C-kompozita i komercijalnog bezazbestnog frikcionog materijala, za vozilo »Zastava 101«.*

Tabela 3. Vrednosti frikcionog koeficijenta (µ) tokom »toplog« testa

(P=50bar, v=100km/h)

C/C-kompozit Komercijalni materijal

T (oC) Frikcioni koeficijent (µ) 100 0.32 0.35 150 0.325 0.33 200 0.325 0.30 250 0.31 0.32 300 0.31 0.34

4. ZAKLJUČAK

oC, potrebno je poboljšati kako mehaničke osobine kompozita, tako i njegovu termičku stabilnost, a što će ujedno predstavljati i predmet našeg budućeg rada.

*- testiranje obavljeno u firmi »Cobest«, Mladenovac

5. LITERATURA

[1] E.Fitzer, Carbon, 25(1987)163.

[2] S.Marinković, Z.Laušević, M.Polovina, »Savremeni karbonski materijali«, Beograd, 1999.g.

[3] F.C.Tompkins, »Chemisorption of gases on metals«, Academic Press, London, 1978.

[4] A.Devečerski, Z.Laušević, J.Grbović, S.Čepurac, YUCOMAT 2001, H.Novi, Book of Abstracts, str.31.

[5] J.G.Pruett, M.Ngo, R.Molina, R.Felice, W.H.Mills, Carbon '97, 23rd Biennial Conference on Carbon, Pennsylvania State University, 1997.g., Vol II, str. 504.

Abstract – In this paper we present the results of our investigations of thermal stability of C/C-composite material (made in our lab) in the regard of its potential applicability as a frictional material in light weight vehicles.

THERMAL STABILITY OF CARBON/CARBON COMPOSITE

FRICTIONAL MATERIAL

A.Devečerski, Z.Laušević

Termicka stabilnost frikcionog C/C kompozita napravljenog u nasoj laboratoriji zadovoljava kriterijume termicke stabilnosti kada je u pitanju primena u lakim putnickim vozilima. Da bi isti bio primenljiv u teskim vozilimai uopste tamo gde su radne temperature vece od 400

231