MATECH разработала углерод/углеродные композитные материалы сверхвысокой плотности.
Согласно последнему объявлению MATECH, компания успешно разработала композиты на основе углерода (C/C) сверхвысокой плотности, армированные углеродным волокном. Эта революционная технология повышает абляционную и окислительную стойкость композитов C/C в 20 раз по сравнению с существующими материалами C/C, что делает их пригодными для требовательных применений, таких как высокоскоростные ракеты и носовые обтекатели и передние кромки баллистических ракет.
MATECH официально представит этот запатентованный проект разработки на 47-й конференции по композитным материалам, материалам и структурам (CMS), которая пройдет в Сент-Огастине, штат Флорида, США, 23 января 2024 года. Технология спекания в полевых условиях (FAST) MATECH позволяет производство плотных C/C-композитов с беспрецедентно высокой плотностью.
Используя этот новый процесс, компания MATECH добилась объемной плотности композитов C/C более 2,20 г/см3, что очень близко к абсолютной теоретической плотности графита (2,26 г/см3). Кроме того, во время перелома наблюдалось значительное выдергивание волокон. Углерод-углеродные композиты FAST можно легко использовать в носовых обтекателях и передних кромках высокоскоростных ракет. Кроме того, этот процесс безопасен, экономически эффективен и относительно прост. Эта запатентованная технология (патенты США 10464849 и 10774007) расширяет предыдущую работу MATECH по быстрому уплотнению КМЦ SiC/SiC и C/SiC.
Композиты C/C высокой плотности первоначально использовались для баллистических носовых обтекателей спускаемого аппарата в 1960-х и 1970-х годах. Углерод высокой плотности, полученный в процессах горячего изостатического прессования и пропиточной карбонизации, заменил плотный монолитный графит. Однако эти процессы были связаны с определенными рисками, высокими затратами и техническими сложностями. Кроме того, предыдущие процессы обычно давали композиты C/C с максимальной объемной плотностью 1,95 г/см3, и ни один другой процесс существенно не увеличивал плотность углерод-углеродных композитов.
Запатентованная технология изготовления композита высокой плотности.
Компания MATECH со штаб-квартирой в Калифорнии, США, была основана в 1989 году доктором Эдом Поупом. По словам Поупа, компания работает над продвижением композитов с керамической матрицей (CMC) с температурой 2700 градусов по Фаренгейту для более эффективных газотурбинных двигателей. Однако основной подход заключался в том, чтобы начинать с КМЦ с плотностью 40-50% и использовать технологию спекания в полевых условиях (FAST), что приводило к плотности, далекой от 100%, и снижению производительности из-за повреждения волокна. Поэтому компания с самого начала осознала необходимость уплотнения преформ, добившись снижения пористости до 7-10%. Позже компания MATECH продемонстрировала возможность получения плотного SiC/SiC с плотностью до 99,9% менее чем за 10 минут, а также желаемой прочности и ударной вязкости CMC.
В запатентованном процессе MATECH (вверху) используется стандартное оборудование технологии полевого спекания (FAST) (внизу), которое подает импульсный ток и давление на детали из CMC через формы, повышая реакционную способность материала и температуру за счет джоулева нагрева.
Чтобы продемонстрировать эффективность этого процесса, компания MATECH начала с простых геометрических форм, таких как диски и прямоугольные пластины. Более сложные геометрические формы, такие как двойная лопасть аэрокосмического двигателя, показанная на рисунке, могут быть изготовлены в формах FAST с использованием графитовой оснастки, которая изначально была разработана для интегрированного давления препрегов (PIP), но не использовалась для создания плотных компонентов FAST. Время, давление и температура процесса FAST для формования деталей такие же, как и для плоской формы. На основе этого исследования Поуп получил два патента: один в 2019 году на процесс, а другой в 2020 году на состав материала.
Для уплотнения КМЦ SiC/SiC и C/SiC компании MATECH используется давление в диапазоне от 30 до 100 мегапаскалей. Это типичный диапазон, используемый при обработке FAST, с уровнями тока от 2500 до 10 000 ампер, в зависимости от размера выборки. Однако ток концентрируется относительно короткими импульсами, что делает его более эффективным, чем традиционные методы горячего прессования. Кроме того, тепло генерируется внутри материала, а не передается снаружи. Используя ток и давление формы, тепловая энергия эффективно увеличивается, а также вводится энергия вибрации, что делает материал более реакционноспособным.