MATECH har utvecklat kol/kolkompositmaterial med ultrahög densitet.
Enligt det senaste tillkännagivandet från MATECH har företaget framgångsrikt utvecklat kolfiberförstärkta kolfiberförstärkta (C/C) kompositer med ultrahög densitet. Denna banbrytande teknologi förbättrar ablations- och oxidationsbeständigheten hos C/C-kompositer med 20 gånger jämfört med befintliga C/C-material, vilket gör dem lämpliga för krävande applikationer som höghastighetsmissiler och ballistiska noskoner och framkanter för återinträde.
MATECH kommer officiellt att avslöja detta patenterade utvecklingsprojekt vid den 47:e Composite Materials, Materials and Structures (CMS)-konferensen, som hölls i St. Augustine, Florida, USA, den 23 januari 2024. MATECHs Field-Assisted Sintering Technology (FAST) möjliggör produktion av täta C/C-kompositer med oöverträffad hög densitet.
Genom att använda denna nya process har MATECH uppnått en bulkdensitet på över 2,20 g/cm3 för C/C-kompositerna, vilket är mycket nära den absoluta teoretiska densiteten för grafit (2,26 g/cm3). Dessutom observerades en betydande mängd fiberutdragning under fraktur. FAST kol-kol-kompositerna kan enkelt förlängas till noskonerna och framkanterna på höghastighetsmissiler. Dessutom är processen säker, kostnadseffektiv och relativt okomplicerad. Denna patenterade teknologi (US Patent 10464849 och 10774007) utökar MATECHs tidigare arbete med snabb förtätning av SiC/SiC och C/SiC CMC.
C/C-kompositer med hög densitet användes ursprungligen för ballistiska noskoner för återinträde på 1960- och 1970-talen. Kolet med hög densitet, erhållet genom varm isostatisk pressning och impregneringsförkolningsprocesser, ersatte den täta monolitiska grafiten. Dessa processer var dock förknippade med vissa risker, höga kostnader och tekniska svårigheter. Vidare producerade de tidigare processerna typiskt C/C-kompositer med en maximal bulkdensitet på 1,95 g/cm3, och ingen annan process ökade densiteten av kol-kolkompositer avsevärt.
Patenterad teknologi för högdensitetskomposit
MATECH har sitt huvudkontor i Kalifornien, USA och grundades 1989 av Dr. Ed Pope. Enligt Pope har företaget arbetat med att utveckla 2700 grader F Ceramic Matrix Composites (CMC) för effektivare turbinmotorer. Det huvudsakliga tillvägagångssättet har dock varit att börja med CMC:er med 40-50% densitet och använda Field-Assisted Sintering Technology (FAST), vilket resulterar i tätheter långt ifrån 100% och dålig prestanda på grund av fiberskador. Därför insåg företaget behovet av förtätning från början med preforms, vilket uppnådde minskad porositet till 7-10%. MATECH visade senare förmågan att uppnå tät SiC/SiC med densiteter upp till 99,9% på mindre än 10 minuter, tillsammans med önskad styrka och seghet hos CMC.
MATECHs patenterade process (överst) använder standardutrustning för Field-Assisted Sintering Technology (FAST) (botten), som applicerar pulsad ström och tryck på CMC-delar genom formar, vilket förbättrar materialreaktivitet och temperatur genom Joule-uppvärmning.
För att demonstrera effektiviteten av denna process började MATECH med enkla geometrier som skivor och rektangulära plattor. Mer komplexa geometrier, som flygmotorns dubbelblad som visas i figuren, kan tillverkas i FAST-formar med grafitverktyg, som ursprungligen designades för Prepreg-Integrated Pressure (PIP) men inte har använts för att skapa FAST täta komponenter. FAST processtid, tryck och temperatur för att forma delar är desamma som för platta geometrier. Baserat på denna forskning fick Pope två patent: ett 2019 för processen och ett annat 2020 för materialsammansättningen.
Förtätningen av MATECHs SiC/SiC och C/SiC CMC använder tryck som sträcker sig från 30 till 100 megapascal. Detta är det typiska intervallet som används vid SNABB bearbetning, med strömnivåer från 2 500 till 10,000 ampere, beroende på provstorleken. Strömmen är emellertid koncentrerad i relativt korta skurar, vilket gör den effektivare än konventionella varmpressningstekniker. Dessutom genereras värmen internt i materialet, snarare än att appliceras externt. Genom att använda ström och formtryck, ökas den termiska energin effektivt samtidigt som den introducerar vibrationsenergi, vilket gör materialet mer reaktivt.