MATECH har udviklet kulstof/kulstof-kompositmaterialer med ultrahøj tæthed.
Ifølge den seneste meddelelse fra MATECH har virksomheden med succes udviklet kulfiberforstærkede kulfiberforstærkede (C/C) kompositter med ultrahøj tæthed. Denne banebrydende teknologi forbedrer ablativ- og oxidationsmodstanden af C/C-kompositter med 20 gange sammenlignet med eksisterende C/C-materialer, hvilket gør dem velegnede til krævende applikationer såsom højhastighedsmissiler og ballistiske reentry-næsekegler og forkanter.
MATECH vil officielt afsløre dette patenterede udviklingsprojekt på den 47. Composite Materials, Materials, and Structures (CMS) konference, der afholdes i St. Augustine, Florida, USA, den 23. januar 2024. MATECHs Field-Assisted Sintering Technology (FAST) muliggør produktion af tætte C/C-kompositter med hidtil uset høj densitet.
Ved at anvende denne nye proces har MATECH opnået en bulkdensitet på over 2,20 g/cm3 for C/C-kompositterne, hvilket er meget tæt på den absolutte teoretiske densitet for grafit (2,26 g/cm3). Derudover blev der observeret en betydelig mængde fiberudtrækning under fraktur. De FAST carbon-carbon-kompositter kan nemt udvides til næsekeglerne og forkanterne af højhastighedsmissiler. Desuden er processen sikker, omkostningseffektiv og relativt ligetil. Denne patenterede teknologi (US patenter 10464849 og 10774007) udvider MATECHs tidligere arbejde med hurtig fortætning af SiC/SiC og C/SiC CMC'er.
Højdensitet C/C-kompositter blev oprindeligt brugt til ballistiske reentry-næsekegler i 1960'erne og 1970'erne. Kulstoffet med høj densitet, opnået gennem varm isostatisk presning og imprægnering af karboniseringsprocesser, erstattede den tætte monolitiske grafit. Disse processer var imidlertid forbundet med visse risici, høje omkostninger og tekniske vanskeligheder. Ydermere producerede de tidligere processer typisk C/C-kompositter med en maksimal bulkdensitet på 1,95 g/cm3, og ingen anden proces øgede densiteten af carbon-carbon-kompositter væsentligt.
Patenteret teknologi til højdensitetskomposit
Med hovedkontor i Californien, USA, blev MATECH grundlagt i 1989 af Dr. Ed Pope. Ifølge Pope har virksomheden arbejdet på at fremme 2700 grader F Ceramic Matrix Composites (CMC'er) til mere effektive turbinemotorer. Hovedtilgangen har dog været at starte med CMC'er ved 40-50% densitet og bruge Field-Assisted Sintering Technology (FAST), hvilket resulterer i tætheder langt fra 100% og dårlig ydeevne på grund af fiberskade. Derfor indså virksomheden behovet for fortætning fra begyndelsen med præforme, hvilket opnåede reduceret porøsitet til 7-10%. MATECH demonstrerede senere evnen til at opnå tæt SiC/SiC med tætheder op til 99,9% på mindre end 10 minutter, sammen med den ønskede styrke og sejhed af CMC'er.
MATECHs patenterede proces (øverst) anvender standard Field-Assisted Sintering Technology (FAST) udstyr (nederst), som påfører pulserende strøm og tryk til CMC-dele gennem forme, hvilket forbedrer materialets reaktivitet og temperatur gennem Joule-opvarmning.
For at demonstrere effektiviteten af denne proces startede MATECH med simple geometrier såsom skiver og rektangulære plader. Mere komplekse geometrier, som flymotorens dobbeltblad vist i figuren, kan fremstilles i FAST forme ved hjælp af grafitværktøj, som oprindeligt blev designet til Prepreg-Integrated Pressure (PIP), men ikke er blevet brugt til at skabe FAST tætte komponenter. Den HURTIGE procestid, tryk og temperatur for at forme dele er de samme som dem for flade geometrier. Baseret på denne forskning opnåede Pope to patenter: et i 2019 for processen og et andet i 2020 for materialesammensætningen.
Fortætningen af MATECHs SiC/SiC og C/SiC CMC'er anvender tryk fra 30 til 100 megapascal. Dette er det typiske område, der bruges i HURTIG behandling, med strømniveauer fra 2.500 til 10,000 ampere, afhængigt af prøvestørrelsen. Strømmen er dog koncentreret i relativt korte stød, hvilket gør den mere effektiv end konventionelle varmpresningsteknikker. Derudover genereres varmen internt i materialet i stedet for at blive påført eksternt. Ved at bruge strøm og formtryk øges den termiske energi effektivt, mens den også introducerer vibrationsenergi, hvilket gør materialet mere reaktivt.