MATECH har utviklet karbon/karbon-komposittmaterialer med ultrahøy tetthet.
I følge den siste kunngjøringen fra MATECH har selskapet med suksess utviklet karbonfiberforsterkede karbon-baserte (C/C) kompositter med ultrahøy tetthet. Denne banebrytende teknologien forbedrer ablasjons- og oksidasjonsmotstanden til C/C-kompositter med 20 ganger sammenlignet med eksisterende C/C-materialer, noe som gjør dem egnet for krevende bruksområder som høyhastighetsmissiler og ballistiske reentry-nesekjegler og forkanter.
MATECH vil offisielt avduke dette patenterte utviklingsprosjektet på den 47. Composite Materials, Materials and Structures (CMS) Conference, som ble holdt i St. Augustine, Florida, USA, 23. januar 2024. MATECHs Field-Assisted Sintering Technology (FAST) muliggjør produksjon av tette C/C-kompositter med enestående høy tetthet.
Ved å bruke denne nye prosessen har MATECH oppnådd en bulkdensitet på over 2,20 g/cm3 for C/C-komposittene, som er svært nær den absolutte teoretiske tettheten til grafitt (2,26 g/cm3). I tillegg ble det observert en betydelig mengde fiberuttrekking under brudd. FAST karbon-karbon-komposittene kan enkelt utvides til nesekjeglene og forkantene på høyhastighetsmissiler. Dessuten er prosessen sikker, kostnadseffektiv og relativt enkel. Denne patenterte teknologien (US-patentene 10464849 og 10774007) utvider MATECHs tidligere arbeid med rask fortetting av SiC/SiC og C/SiC CMCer.
C/C-kompositter med høy tetthet ble opprinnelig brukt for ballistiske nesekjegler på 1960- og 1970-tallet. Karbonet med høy tetthet, oppnådd gjennom varm isostatisk pressing og impregneringskarboniseringsprosesser, erstattet den tette monolitiske grafitten. Imidlertid var disse prosessene forbundet med visse risikoer, høye kostnader og tekniske vanskeligheter. Videre produserte de tidligere prosessene typisk C/C-kompositter med en maksimal bulkdensitet på 1,95 g/cm3, og ingen annen prosess økte tettheten til karbon-karbon-kompositter vesentlig.
Patentert teknologi for kompositt med høy tetthet
MATECH har hovedkontor i California, USA, og ble grunnlagt i 1989 av Dr. Ed Pope. Ifølge Pope har selskapet jobbet med å fremme 2700 grader F Ceramic Matrix Composites (CMCs) for mer effektive turbinmotorer. Hovedtilnærmingen har imidlertid vært å starte med CMC-er ved 40-50 % tetthet og bruke feltassistert sintringsteknologi (FAST), noe som har resultert i tettheter langt fra 100 % og dårlig ytelse på grunn av fiberskade. Derfor innså selskapet behovet for fortetting fra begynnelsen med preformer, og oppnådde redusert porøsitet til 7-10%. MATECH demonstrerte senere evnen til å oppnå tett SiC/SiC med tettheter på opptil 99,9 % på mindre enn 10 minutter, sammen med ønsket styrke og seighet til CMC-er.
MATECHs patenterte prosess (øverst) bruker standard Field-Assisted Sintering Technology (FAST) utstyr (nederst), som påfører pulserende strøm og trykk til CMC-deler gjennom støpeformer, og forbedrer materialets reaktivitet og temperatur gjennom Joule-oppvarming.
For å demonstrere effektiviteten til denne prosessen startet MATECH med enkle geometrier som skiver og rektangulære plater. Mer komplekse geometrier, som dobbeltbladet for romfartsmotoren vist i figuren, kan produseres i FAST-former ved bruk av grafittverktøy, som opprinnelig ble designet for Prepreg-Integrated Pressure (PIP), men ikke har blitt brukt til å lage FAST tette komponenter. RASK prosesstid, trykk og temperatur for å forme deler er de samme som for flate geometrier. Basert på denne forskningen oppnådde Pope to patenter: en i 2019 for prosessen og en annen i 2020 for materialsammensetningen.
Fortettingen av MATECHs SiC/SiC og C/SiC CMC-er bruker trykk som varierer fra 30 til 100 megapascal. Dette er det typiske området som brukes i RASK behandling, med strømnivåer fra 2500 til 10,000 ampere, avhengig av prøvestørrelsen. Imidlertid er strømmen konsentrert i relativt korte støt, noe som gjør den mer effektiv enn konvensjonelle varmpressingsteknikker. I tillegg genereres varmen internt i materialet, i stedet for å påføres eksternt. Ved å bruke strøm og formtrykk økes den termiske energien effektivt samtidig som den introduserer vibrasjonsenergi, noe som gjør materialet mer reaktivt.