Η MATECH έχει αναπτύξει σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας.
Σύμφωνα με την τελευταία ανακοίνωση της MATECH, η εταιρεία ανέπτυξε με επιτυχία σύνθετα υλικά εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας ενισχυμένα με ανθρακονήματα (C/C). Αυτή η πρωτοποριακή τεχνολογία ενισχύει την αντοχή στην αφαίρεση και την οξείδωση των σύνθετων υλικών C/C κατά 20 φορές σε σύγκριση με τα υπάρχοντα υλικά C/C, καθιστώντας τα κατάλληλα για απαιτητικές εφαρμογές όπως βλήματα υψηλής ταχύτητας και βαλλιστικούς κώνους μύτης επανεισόδου και μπροστινές ακμές.
Η MATECH θα αποκαλύψει επίσημα αυτό το κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έργο ανάπτυξης στο 47ο Συνέδριο Σύνθετων Υλικών, Υλικών και Κατασκευών (CMS), που πραγματοποιήθηκε στο St. Augustine της Φλόριντα των ΗΠΑ, στις 23 Ιανουαρίου 2024. Η τεχνολογία υποβοηθούμενης πυροσυσσωμάτωσης της MATECH (FAST) επιτρέπει την παραγωγή πυκνών σύνθετων C/C με πρωτοφανή υψηλή πυκνότητα.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα διαδικασία, η MATECH έχει επιτύχει χύδην πυκνότητα άνω των 2,20 g/cm3 για τα σύνθετα υλικά C/C, η οποία είναι πολύ κοντά στην απόλυτη θεωρητική πυκνότητα του γραφίτη (2,26 g/cm3). Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική απομάκρυνση της ίνας κατά τη διάρκεια του κατάγματος. Τα σύνθετα υλικά άνθρακα-άνθρακα FAST μπορούν εύκολα να επεκταθούν στους κώνους μύτης και στα μπροστινά άκρα των πυραύλων υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η διαδικασία είναι ασφαλής, οικονομικά αποδοτική και σχετικά απλή. Αυτή η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τεχνολογία (Διπλώματα Ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ 10464849 και 10774007) επεκτείνεται στο προηγούμενο έργο της MATECH για την ταχεία συμπύκνωση των SiC/SiC και C/SiC CMC.
Τα σύνθετα υλικά C/C υψηλής πυκνότητας χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για βαλλιστικούς κώνους μύτης επανεισόδου στις δεκαετίες του 1960 και του 1970. Ο άνθρακας υψηλής πυκνότητας, που λαμβάνεται μέσω θερμής ισοστατικής συμπίεσης και διεργασιών ενανθράκωσης με εμποτισμό, αντικατέστησε τον πυκνό μονολιθικό γραφίτη. Ωστόσο, αυτές οι διαδικασίες συνδέονταν με ορισμένους κινδύνους, υψηλό κόστος και τεχνικές δυσκολίες. Επιπλέον, οι προηγούμενες διεργασίες παρήγαγαν τυπικά σύνθετα υλικά C/C με μέγιστη χύδην πυκνότητα 1,95 g/cm3, και καμία άλλη διεργασία δεν αύξησε σημαντικά την πυκνότητα των σύνθετων υλικών άνθρακα-άνθρακα.
Κατοχυρωμένη τεχνολογία για σύνθετα υλικά υψηλής πυκνότητας
Με έδρα την Καλιφόρνια των ΗΠΑ, η MATECH ιδρύθηκε το 1989 από τον Δρ Ed Pope. Σύμφωνα με τον Pope, η εταιρεία εργάζεται για την προώθηση των σύνθετων κεραμικών μήτρας 2700 μοιρών F (CMCs) για πιο αποδοτικούς κινητήρες στροβίλου. Ωστόσο, η κύρια προσέγγιση ξεκίνησε με CMCs σε 40-50% πυκνότητα και χρήση τεχνολογίας υποβοηθούμενης πυροσυσσωμάτωσης πεδίου (FAST), με αποτέλεσμα πυκνότητες που απέχουν από το 100% και κακή απόδοση λόγω βλάβης στις ίνες. Ως εκ τούτου, η εταιρεία συνειδητοποίησε την ανάγκη για πύκνωση από την αρχή με προμορφώματα, επιτυγχάνοντας μειωμένο πορώδες σε 7-10%. Το MATECH έδειξε αργότερα την ικανότητα να επιτυγχάνει πυκνό SiC/SiC με πυκνότητες έως και 99,9% σε λιγότερο από 10 λεπτά, μαζί με την επιθυμητή αντοχή και σκληρότητα των CMC.
Η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας διαδικασία της MATECH (επάνω) χρησιμοποιεί στάνταρ εξοπλισμό τεχνολογίας πυροσυσσωμάτωσης με υποβοήθηση πεδίου (FAST) (κάτω), ο οποίος εφαρμόζει παλμικό ρεύμα και πίεση σε εξαρτήματα CMC μέσω καλουπιών, βελτιώνοντας την αντιδραστικότητα και τη θερμοκρασία του υλικού μέσω θέρμανσης Joule.
Για να αποδείξει την αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας, η MATECH ξεκίνησε με απλές γεωμετρίες όπως δίσκους και ορθογώνιες πλάκες. Πιο πολύπλοκες γεωμετρίες, όπως η διπλή λεπίδα του αεροδιαστημικού κινητήρα που φαίνεται στο σχήμα, μπορούν να παραχθούν σε καλούπια FAST χρησιμοποιώντας εργαλεία γραφίτη, τα οποία είχαν σχεδιαστεί αρχικά για Prepreg-Integrated Pressure (PIP) αλλά δεν έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία FAST πυκνών εξαρτημάτων. Ο χρόνος επεξεργασίας FAST, η πίεση και η θερμοκρασία για τη διαμόρφωση εξαρτημάτων είναι τα ίδια με εκείνα για επίπεδες γεωμετρίες. Με βάση αυτή την έρευνα, ο Pope απέκτησε δύο διπλώματα ευρεσιτεχνίας: ένα το 2019 για τη διαδικασία και ένα άλλο το 2020 για τη σύνθεση του υλικού.
Η συμπύκνωση των CMC SiC/SiC και C/SiC της MATECH χρησιμοποιεί πιέσεις που κυμαίνονται από 30 έως 100 megapascal. Αυτό είναι το τυπικό εύρος που χρησιμοποιείται στην επεξεργασία FAST, με τα τρέχοντα επίπεδα να κυμαίνονται από 2.500 έως 10,000 αμπέρ, ανάλογα με το μέγεθος του δείγματος. Ωστόσο, το ρεύμα συγκεντρώνεται σε σχετικά σύντομες εκρήξεις, καθιστώντας το πιο αποτελεσματικό από τις συμβατικές τεχνικές θερμής συμπίεσης. Επιπλέον, η θερμότητα παράγεται εσωτερικά μέσα στο υλικό, αντί να εφαρμόζεται εξωτερικά. Με τη χρήση ρεύματος και πίεσης καλουπιού, η θερμική ενέργεια αυξάνεται αποτελεσματικά, ενώ παράλληλα εισάγεται και δονητική ενέργεια, καθιστώντας το υλικό πιο αντιδραστικό.