MATECH je razvio kompozitne materijale ugljik/ugljik ultra-visoke gustoće.
Prema najnovijoj objavi MATECH-a, tvrtka je uspješno razvila kompozite na bazi ugljika (C/C) ojačane ugljičnim vlaknima ultra-visoke gustoće. Ova revolucionarna tehnologija povećava ablativnu i oksidacijsku otpornost C/C kompozita za 20 puta u usporedbi s postojećim C/C materijalima, čineći ih prikladnima za zahtjevne primjene kao što su projektili velike brzine i balistički prednji konusi i vodeći rubovi.
MATECH će službeno predstaviti ovaj patentirani razvojni projekt na 47. konferenciji o kompozitnim materijalima, materijalima i strukturama (CMS), održanoj u St. Augustineu, Florida, SAD, 23. siječnja 2024. MATECH-ova tehnologija sinteriranja uz pomoć terena (FAST) omogućuje proizvodnja gustih C/C kompozita neviđeno visoke gustoće.
Korištenjem ovog novog procesa, MATECH je postigao nasipnu gustoću od preko 2,20 g/cm3 za C/C kompozite, što je vrlo blizu apsolutnoj teoretskoj gustoći grafita (2,26 g/cm3). Dodatno, uočena je značajna količina izvlačenja vlakana tijekom prijeloma. FAST ugljik-ugljik kompoziti mogu se lako proširiti na nosne konuse i prednje rubove projektila velike brzine. Štoviše, postupak je siguran, isplativ i relativno jednostavan. Ova patentirana tehnologija (američki patenti 10464849 i 10774007) proširuje MATECH-ov prethodni rad na brzom zgušnjavanju SiC/SiC i C/SiC CMC.
C/C kompoziti visoke gustoće isprva su korišteni za balističke nosne konuse za ponovni ulazak u 1960-ih i 1970-ih. Ugljik visoke gustoće, dobiven vrućim izostatičkim prešanjem i procesima karbonizacije impregnacije, zamijenio je gusti monolitni grafit. Međutim, ti su procesi bili povezani s određenim rizicima, visokim troškovima i tehničkim poteškoćama. Nadalje, prethodni procesi tipično su proizvodili C/C kompozite s maksimalnom nasipnom gustoćom od 1,95 g/cm3, a nijedan drugi proces nije značajno povećao gustoću ugljik-ugljik kompozita.
Patentirana tehnologija za kompozite visoke gustoće
Sa sjedištem u Kaliforniji, SAD, MATECH je 1989. godine osnovao dr. Ed Pope. Prema Popeu, tvrtka je radila na unaprjeđenju 2700 stupnjeva F keramičkih matričnih kompozita (CMC) za učinkovitije turbinske motore. Međutim, glavni pristup bio je početak s CMC-ima pri 40-50% gustoće i korištenjem tehnologije sinteriranja uz pomoć polja (FAST), što je rezultiralo gustoćama daleko od 100% i lošim performansama zbog oštećenja vlakana. Stoga je tvrtka od samog početka shvatila potrebu za zgušnjavanjem s predformama, postižući smanjenu poroznost na 7-10%. MATECH je kasnije pokazao sposobnost postizanja gustog SiC/SiC gustoće do 99,9% u manje od 10 minuta, zajedno sa željenom čvrstoćom i žilavošću CMC-a.
MATECH-ov patentirani proces (gore) koristi standardnu opremu za tehnologiju sinteriranja uz pomoć polja (FAST) (dolje), koja primjenjuje pulsnu struju i pritisak na CMC dijelove kroz kalupe, povećavajući reaktivnost materijala i temperaturu kroz Jouleovo zagrijavanje.
Kako bi pokazao učinkovitost ovog procesa, MATECH je započeo s jednostavnim geometrijama kao što su diskovi i pravokutne ploče. Složenije geometrije, poput duple lopatice zrakoplovnog motora prikazane na slici, mogu se proizvoditi u FAST kalupima pomoću grafitnog alata, koji je izvorno dizajniran za Prepreg-Integrated Pressure (PIP), ali nije korišten za izradu FAST gustih komponenti. Vrijeme procesa FAST, tlak i temperatura za oblikovanje dijelova isti su kao oni za ravne geometrije. Na temelju ovog istraživanja, Pope je dobio dva patenta: jedan 2019. za proces i drugi 2020. za sastav materijala.
Zgušnjavanje MATECH-ovih SiC/SiC i C/SiC CMC-a koristi tlakove u rasponu od 30 do 100 megapaskala. Ovo je tipični raspon koji se koristi u FAST obradi, s razinama struje u rasponu od 2500 do 10,000 ampera, ovisno o veličini uzorka. Međutim, struja je koncentrirana u relativno kratkim udarima, što ga čini učinkovitijim od konvencionalnih tehnika vrućeg prešanja. Osim toga, toplina se stvara unutar materijala, umjesto da se primjenjuje izvana. Korištenjem struje i tlaka kalupa, toplinska energija se učinkovito povećava dok se također uvodi vibracijska energija, čineći materijal reaktivnijim.