Společnost MATECH vyvinula kompozitní materiály uhlík/uhlík s ultra vysokou hustotou.
Podle nejnovějšího oznámení společnosti MATECH společnost úspěšně vyvinula kompozity na bázi uhlíku (C/C) vyztužené uhlíkovými vlákny s ultra vysokou hustotou. Tato průlomová technologie zvyšuje ablativní a oxidační odolnost C/C kompozitů 20krát ve srovnání se stávajícími C/C materiály, díky čemuž jsou vhodné pro náročné aplikace, jako jsou vysokorychlostní střely a balistické reentry příďové kužely a náběžné hrany.
MATECH oficiálně představí tento patentovaný vývojový projekt na 47. konferenci kompozitních materiálů, materiálů a struktur (CMS), která se konala 23. ledna 2024 v St. Augustine na Floridě v USA. Technologie FAST (Field-Assisted Sintering Technology) společnosti MATECH výroba hustých C/C kompozitů s nebývale vysokou hustotou.
Využitím tohoto nového procesu dosáhl MATECH u C/C kompozitů objemové hustoty přes 2,20 g/cm3, což je velmi blízké absolutní teoretické hustotě grafitu (2,26 g/cm3). Kromě toho bylo během lomu pozorováno značné vytažení vlákna. Kompozity FAST uhlík-uhlík lze snadno rozšířit na příďové kužely a náběžné hrany vysokorychlostních střel. Navíc je proces bezpečný, nákladově efektivní a relativně přímočarý. Tato patentovaná technologie (US patenty 10464849 a 10774007) rozšiřuje předchozí práci MATECH v oblasti rychlého zhušťování SiC/SiC a C/SiC CMC.
Kompozity C/C s vysokou hustotou byly zpočátku používány pro balistické návratové kužely v 60. a 70. letech 20. století. Uhlík s vysokou hustotou, získaný izostatickým lisováním a impregnační karbonizací, nahradil hustý monolitický grafit. Tyto procesy však byly spojeny s určitými riziky, vysokými náklady a technickými obtížemi. Kromě toho předchozí procesy typicky produkovaly C/C kompozity s maximální objemovou hustotou 1,95 g/cm3 a žádný jiný proces významně nezvýšil hustotu uhlík-uhlíkových kompozitů.
Patentovaná technologie pro kompozity s vysokou hustotou
Společnost MATECH se sídlem v Kalifornii v USA byla založena v roce 1989 Dr. Edem Popeem. Podle Popea společnost pracuje na vylepšení keramických matricových kompozitů (CMC) 2700 stupňů F pro účinnější turbínové motory. Hlavním přístupem však bylo začít s CMC s hustotou 40-50 % a pomocí technologie FAST (Field-Assisted Sintering Technology), což má za následek hustoty daleko od 100 % a špatný výkon v důsledku poškození vláken. Společnost si proto od začátku uvědomila potřebu zhuštění s předlisky, čímž dosáhla snížení pórovitosti na 7-10 %. MATECH později prokázal schopnost dosáhnout hustého SiC/SiC s hustotami až 99,9 % za méně než 10 minut, spolu s požadovanou pevností a houževnatostí CMC.
Patentovaný proces MATECH (nahoře) využívá standardní vybavení technologie Field-Assisted Sintering Technology (FAST) (dole), které aplikuje pulzní proud a tlak na díly CMC prostřednictvím forem, čímž se zvyšuje reaktivita materiálu a teplota pomocí Jouleova ohřevu.
Aby MATECH demonstroval účinnost tohoto procesu, začal s jednoduchými geometriemi, jako jsou disky a obdélníkové desky. Složitější geometrie, jako je dvojitá lopatka leteckého motoru znázorněná na obrázku, lze vyrábět ve formách FAST pomocí grafitových nástrojů, které byly původně navrženy pro integrovaný tlak Prepreg (PIP), ale nebyly použity pro vytváření RYCHLÝCH hustých součástí. RYCHLÝ procesní čas, tlak a teplota pro tvarování dílů jsou stejné jako pro ploché geometrie. Na základě tohoto výzkumu získal Pope dva patenty: jeden v roce 2019 na proces a druhý v roce 2020 na materiálové složení.
Zhušťování SiC/SiC a C/SiC CMC od MATECH využívá tlaky v rozmezí od 30 do 100 megapascalů. Toto je typický rozsah používaný při rychlém zpracování s aktuálními úrovněmi v rozmezí od 2 500 do 10,000 ampérů, v závislosti na velikosti vzorku. Proud je však koncentrován v relativně krátkých dávkách, díky čemuž je účinnější než konvenční techniky lisování za tepla. Navíc se teplo vytváří uvnitř materiálu, spíše než aby bylo aplikováno externě. Použitím proudu a tlaku formy se tepelná energie účinně zvyšuje a zároveň se zavádí vibrační energie, díky čemuž je materiál reaktivnější.