MATECH a dezvoltat materiale compozite carbon/carbon cu densitate ultra-înaltă.
Conform celui mai recent anunț de la MATECH, compania a dezvoltat cu succes compozite pe bază de carbon (C/C) armate cu fibră de carbon de densitate ultra-înaltă. Această tehnologie inovatoare îmbunătățește rezistența la ablație și la oxidare a compozitelor C/C de 20 de ori în comparație cu materialele C/C existente, făcându-le potrivite pentru aplicații solicitante, cum ar fi rachete de mare viteză și conuri de reintrare balistică și margini frontale.
MATECH va dezvălui oficial acest proiect de dezvoltare brevetat la cea de-a 47-a Conferință Materiale, Materiale și Structuri Compozite (CMS), desfășurată în St. Augustine, Florida, SUA, pe 23 ianuarie 2024. Tehnologia de sinterizare asistată de câmp (FAST) de la MATECH permite producerea de compozite C/C dense cu o densitate ridicată fără precedent.
Prin utilizarea acestui nou proces, MATECH a atins o densitate în vrac de peste 2,20 g/cm3 pentru compozitele C/C, care este foarte apropiată de densitatea teoretică absolută a grafitului (2,26 g/cm3). În plus, a fost observată o cantitate semnificativă de smulgere a fibrei în timpul fracturii. Compozitele FAST carbon-carbon pot fi extinse cu ușurință la conurile de vârf și la marginile anterioare ale rachetelor de mare viteză. În plus, procesul este sigur, rentabil și relativ simplu. Această tehnologie brevetată (brevetele SUA 10464849 și 10774007) extinde lucrările anterioare ale MATECH în densificarea rapidă a CMC-urilor SiC/SiC și C/SiC.
Compozitele C/C de înaltă densitate au fost utilizate inițial pentru conurile de nas de reintrare balistică în anii 1960 și 1970. Carbonul de înaltă densitate, obținut prin procese de presare izostatică la cald și de carbonizare prin impregnare, a înlocuit grafitul monolit dens. Cu toate acestea, aceste procese au fost asociate cu anumite riscuri, costuri ridicate și dificultăți tehnice. În plus, procesele anterioare au produs în mod obișnuit compozite C/C cu o densitate în vrac maximă de 1,95 g/cm3 și niciun alt proces nu a crescut semnificativ densitatea compozitelor carbon-carbon.
Tehnologie patentată pentru compozit de înaltă densitate
Cu sediul în California, SUA, MATECH a fost fondată în 1989 de Dr. Ed Pope. Potrivit lui Pope, compania a lucrat la avansarea compozitelor cu matrice ceramică (CMC) la 2700 de grade F pentru motoare cu turbină mai eficiente. Cu toate acestea, abordarea principală a fost începerea cu CMC-uri la densitate de 40-50% și utilizarea tehnologiei de sinterizare asistată de câmp (FAST), rezultând densități departe de 100% și performanțe slabe din cauza deteriorării fibrelor. Prin urmare, compania și-a dat seama de la început necesitatea densificării cu preforme, obținând o porozitate redusă la 7-10%. Mai târziu, MATECH a demonstrat capacitatea de a obține SiC/SiC dens cu densități de până la 99,9% în mai puțin de 10 minute, împreună cu rezistența și duritatea dorite a CMC-urilor.
Procesul patentat de la MATECH (sus) utilizează echipamente standard de tehnologie de sinterizare asistată de câmp (FAST) (de jos), care aplică curent pulsat și presiune pieselor CMC prin matrițe, sporind reactivitatea materialului și temperatura prin încălzire Joule.
Pentru a demonstra eficacitatea acestui proces, MATECH a început cu geometrii simple, cum ar fi discuri și plăci dreptunghiulare. Geometrii mai complexe, cum ar fi lama dublă a motorului aerospațial prezentată în figură, pot fi produse în matrițe FAST utilizând scule din grafit, care au fost proiectate inițial pentru Presiune Prepreg-Integrated (PIP), dar nu a fost folosită pentru crearea de componente dense FAST. Timpul de proces, presiunea și temperatura FAST pentru modelarea pieselor sunt aceleași cu cele pentru geometriile plate. Pe baza acestei cercetări, Pope a obținut două brevete: unul în 2019 pentru proces și altul în 2020 pentru compoziția materialului.
Densificarea CMC-urilor SiC/SiC și C/SiC de la MATECH utilizează presiuni cuprinse între 30 și 100 megapascali. Acesta este intervalul tipic utilizat în procesarea FAST, cu niveluri de curent variind de la 2.500 la 10,000 amperi, în funcție de dimensiunea eșantionului. Cu toate acestea, curentul este concentrat în rafale relativ scurte, ceea ce îl face mai eficient decât tehnicile convenționale de presare la cald. În plus, căldura este generată intern în interiorul materialului, mai degrabă decât să fie aplicată extern. Prin utilizarea curentului și a presiunii matriței, energia termică este crescută efectiv, introducând și energie vibrațională, făcând materialul mai reactiv.