MATECH on kehittänyt erittäin tiheitä hiili/hiilikomposiittimateriaaleja.
MATECHin viimeisimmän ilmoituksen mukaan yritys on menestyksekkäästi kehittänyt erittäin korkeatiheyksisiä hiilikuituvahvisteisia hiilipohjaisia (C/C) komposiitteja. Tämä läpimurtoteknologia parantaa C/C-komposiittien ablatiivisuutta ja hapettumiskestävyyttä 20 kertaa verrattuna olemassa oleviin C/C-materiaaleihin, mikä tekee niistä soveltuvia vaativiin sovelluksiin, kuten nopeisiin ohjuksiin ja ballistisiin paluukärkiin ja etureunoihin.
MATECH julkistaa tämän patentoidun kehitysprojektin virallisesti 47. Composite Materials, Materials and Structures (CMS) -konferenssissa, joka pidetään St. Augustine, Florida, USA, 23. tammikuuta 2024. MATECHin Field-Assisted Sintering Technology (FAST) mahdollistaa ennennäkemättömän korkean tiheyden omaavien tiheiden C/C-komposiittien tuotanto.
Käyttämällä tätä uutta prosessia MATECH on saavuttanut C/C-komposiiteille yli 2,20 g/cm3 irtotiheyden, joka on hyvin lähellä grafiitin absoluuttista teoreettista tiheyttä (2,26 g/cm3). Lisäksi huomattava määrä kuidun vetäytymistä havaittiin murtuman aikana. FAST hiili-hiili-komposiitit voidaan helposti laajentaa nokkakartioihin ja nopeiden ohjusten etureunoihin. Lisäksi prosessi on turvallinen, kustannustehokas ja suhteellisen yksinkertainen. Tämä patentoitu tekniikka (US-patentit 10464849 ja 10774007) laajentaa MATECHin aikaisempaa työtä SiC/SiC- ja C/SiC CMC:iden nopeassa tiivistämisessä.
Suuritiheyksisiä C/C-komposiitteja käytettiin alun perin ballistisiin nokkakartioihin 1960- ja 1970-luvuilla. Suuritiheyksinen hiili, joka saatiin kuuma-isostaattisella puristus- ja kyllästyshiiletysprosesseilla, korvasi tiheän monoliittisen grafiitin. Näihin prosesseihin liittyi kuitenkin tiettyjä riskejä, korkeita kustannuksia ja teknisiä vaikeuksia. Lisäksi aikaisemmat prosessit tuottivat tyypillisesti C/C-komposiitteja, joiden suurin irtotiheys oli 1,95 g/cm3, eikä mikään muu prosessi merkittävästi lisännyt hiili-hiili-komposiittien tiheyttä.
Patentoitu tekniikka suuritiheyksisille komposiiteille
MATECHin pääkonttori sijaitsee Kaliforniassa, Yhdysvalloissa, ja sen perusti vuonna 1989 tohtori Ed Pope. Popen mukaan yritys on työskennellyt 2700 asteen F keraamisten matriisikomposiittien (CMC) edistämiseksi tehokkaampien turbiinimoottorien saamiseksi. Pääasiallinen lähestymistapa on kuitenkin ollut CMC:iden aloittaminen 40-50 % tiheydellä ja Field-Assisted Sintering Technology (FAST) -tekniikalla, mikä on johtanut tiheyteen, joka on kaukana 100 %:sta, ja huonoon suorituskykyyn kuituvaurion vuoksi. Siksi yritys ymmärsi alusta alkaen tiivistämisen tarpeen esimuottien avulla, jolloin huokoisuus pieneni 7-10 prosenttiin. MATECH osoitti myöhemmin kykynsä saavuttaa tiheää SiC/SiC:tä jopa 99,9 %:n tiheydellä alle 10 minuutissa sekä CMC:iden halutun lujuuden ja sitkeyden.
MATECHin patentoitu prosessi (ylhäällä) hyödyntää standardia Field-Assisted Sintering Technology (FAST) -laitteistoa (alhaalla), joka syöttää pulssivirtaa ja painetta CMC-osiin muottien kautta, mikä parantaa materiaalin reaktiivisuutta ja lämpötilaa Joule-lämmityksen avulla.
Osoittaakseen tämän prosessin tehokkuutta MATECH aloitti yksinkertaisilla geometrioilla, kuten kiekoilla ja suorakaiteen muotoisilla levyillä. Monimutkaisempia geometrioita, kuten kuvassa näkyvä lentokonemoottorin kaksoisterä, voidaan valmistaa FAST-muotteissa käyttämällä grafiittityökaluja, jotka on alun perin suunniteltu Prepreg-Integrated Pressure (PIP) -paineelle, mutta jota ei ole käytetty FAST tiheiden komponenttien luomiseen. NOPEA prosessiaika, paine ja lämpötila osien muotoilussa ovat samat kuin litteissä geometrioissa. Tämän tutkimuksen perusteella Pope sai kaksi patenttia: yhden vuonna 2019 prosessille ja toisen vuonna 2020 materiaalikoostumukselle.
MATECHin SiC/SiC ja C/SiC CMC:iden tiivistämisessä käytetään 30-100 megapascalin painetta. Tämä on tyypillinen FAST-käsittelyssä käytetty alue, jonka virtatasot vaihtelevat välillä 2 500 - 10, 000 ampeeria näytteen koosta riippuen. Virta on kuitenkin keskittynyt suhteellisen lyhyisiin purskeisiin, mikä tekee siitä tehokkaamman kuin perinteiset kuumapuristustekniikat. Lisäksi lämpöä syntyy materiaalin sisällä sen sijaan, että sitä levitettäisiin ulkoisesti. Käyttämällä virtaa ja muotin painetta lämpöenergiaa lisätään tehokkaasti samalla kun se tuo mukanaan värähtelyenergiaa, mikä tekee materiaalista reaktiivisemman.