A MATECH ultra-nagy sűrűségű szén/szén kompozit anyagokat fejlesztett ki.
A MATECH legfrissebb bejelentése szerint a vállalat sikeresen fejlesztette ki az ultra-nagy sűrűségű szénszál-erősítésű szénalapú (C/C) kompozitokat. Ez az áttörő technológia 20-szor növeli a C/C kompozitok ablatív és oxidációs ellenállását a meglévő C/C anyagokhoz képest, így alkalmassá teszi őket olyan igényes alkalmazásokhoz, mint a nagy sebességű rakéták és a ballisztikus visszatérő orrkúpok és élek.
A MATECH hivatalosan is bemutatja ezt a szabadalmaztatott fejlesztési projektet a 47. Composite Materials, Materials and Structures (CMS) konferencián, amelyet St. Augustine-ban (Florida, USA) tartanak 2024. január 23-án. A MATECH Field-Assisted Sintering Technology (FAST) lehetővé teszi példátlanul nagy sűrűségű, sűrű C/C kompozitok gyártása.
Ennek az új eljárásnak az alkalmazásával a MATECH 2,20 g/cm3 feletti térfogatsűrűséget ért el a C/C kompozitok esetében, ami nagyon közel áll a grafit abszolút elméleti sűrűségéhez (2,26 g/cm3). Ezenkívül jelentős mennyiségű rostkihúzódást figyeltek meg a törés során. A FAST szén-szén kompozitok könnyen kiterjeszthetők a nagy sebességű rakéták orrkúpjaira és elülső éleire. Ezenkívül az eljárás biztonságos, költséghatékony és viszonylag egyszerű. Ez a szabadalmaztatott technológia (US 10464849 és 10774007) a MATECH korábbi SiC/SiC és C/SiC CMC-k gyors tömörítésével kapcsolatos munkáját bővíti.
A nagy sűrűségű C/C kompozitokat az 1960-as és 1970-es években eredetileg ballisztikus visszatérő orrkúpokhoz használták. A forró izosztatikus préseléssel és impregnálással nyert nagy sűrűségű szén a sűrű monolit grafitot váltotta fel. Ezek a folyamatok azonban bizonyos kockázatokkal, magas költségekkel és technikai nehézségekkel jártak. Továbbá a korábbi eljárások jellemzően 1,95 g/cm3 maximális térfogatsűrűségű C/C kompozitokat állítottak elő, és semmilyen más eljárás nem növelte jelentősen a szén-szén kompozitok sűrűségét.
Szabadalmaztatott technológia nagy sűrűségű kompozitokhoz
A kaliforniai székhelyű MATECH-ot 1989-ben alapította Dr. Ed Pope. Pope szerint a vállalat a 2700 fokos F-es kerámia mátrix kompozitok (CMC) fejlesztésén dolgozik a hatékonyabb turbinás motorok érdekében. A fő megközelítés azonban az volt, hogy 40-50%-os sűrűségű CMC-kkel kezdjük, és a Field-Assisted Sintering Technology (FAST) technológiát alkalmazzuk, aminek eredményeként a sűrűség messze nem éri el a 100%-ot, és a rostok károsodása miatt gyenge a teljesítmény. Ezért a vállalat kezdettől fogva felismerte az előformák tömörítésének szükségességét, a porozitást 7-10%-ra csökkentve. A MATECH később bebizonyította, hogy képes 10 percnél rövidebb idő alatt akár 99,9%-os sűrűségű SiC/SiC előállítására, valamint a CMC-k kívánt szilárdságára és szívósságára.
A MATECH szabadalmaztatott eljárása (fent) szabványos Field-Assisted Sintering Technology (FAST) berendezést használ (alul), amely impulzusáramot és nyomást fejt ki a CMC alkatrészekre formákon keresztül, javítva az anyag reakcióképességét és a hőmérsékletet a Joule melegítés révén.
Ennek a folyamatnak a hatékonyságának bemutatására a MATECH olyan egyszerű geometriákkal kezdte, mint a tárcsák és a téglalap alakú lemezek. Bonyolultabb geometriák, mint az ábrán látható repülőgép-hajtómű kettős lapátja, FAST öntőformákban állíthatók elő grafit szerszámozással, amelyet eredetileg Prepreg-Integrated Pressure-hoz (PIP) terveztek, de FAST sűrű alkatrészek létrehozására nem használták. A FAST feldolgozási idő, nyomás és hőmérséklet az alkatrészek alakításakor ugyanaz, mint a lapos geometriák esetében. E kutatás alapján Pope két szabadalmat kapott: egyet 2019-ben az eljárásra, egy másikat 2020-ban az anyagösszetételre.
A MATECH SiC/SiC és C/SiC CMC-k tömörítése 30 és 100 megapascal közötti nyomást alkalmaz. Ez a FAST feldolgozásban használt tipikus tartomány, ahol az áramszintek 2500 és 10,{5}} amper között mozognak, a minta méretétől függően. Az áram azonban viszonylag rövid löketekben koncentrálódik, így hatékonyabb, mint a hagyományos melegsajtolási technikák. Ezenkívül a hő az anyagon belül keletkezik, nem pedig kívülről. Áram- és formanyomás alkalmazásával a hőenergia hatékonyan növelhető, miközben rezgési energiát is bevezet, ezáltal az anyag reakcióképesbbé válik.