MATECH ha desenvolupat materials compostos de carboni/carboni d'alta densitat.
Segons l'últim anunci de MATECH, la companyia ha desenvolupat amb èxit compostos basats en carboni (C/C) reforçats amb fibra de carboni d'alta densitat. Aquesta tecnologia innovadora millora la resistència a l'ablació i l'oxidació dels compostos C/C en 20 vegades en comparació amb els materials C/C existents, fent-los adequats per a aplicacions exigents com ara míssils d'alta velocitat i cons de nas de reentrada balística i vores d'atac.
MATECH presentarà oficialment aquest projecte de desenvolupament patentat a la 47a Conferència de Materials, Materials i Estructures Composites (CMS), celebrada a St. Augustine, Florida, EUA, el 23 de gener de 2024. La tecnologia de sinterització assistida al camp (FAST) de MATECH permet la producció de compostos C/C densos amb una alta densitat sense precedents.
Mitjançant aquest nou procés, MATECH ha aconseguit una densitat aparent de més de 2,20 g/cm3 per als compostos C/C, que és molt propera a la densitat teòrica absoluta del grafit (2,26 g/cm3). A més, es va observar una quantitat significativa d'extracció de fibra durant la fractura. Els compostos de carboni-carboni FAST es poden estendre fàcilment als cons del morro i a les vores davanteres dels míssils d'alta velocitat. A més, el procés és segur, rendible i relativament senzill. Aquesta tecnologia patentada (patents dels EUA 10464849 i 10774007) amplia el treball anterior de MATECH en la densificació ràpida de CMC SiC/SiC i C/SiC.
Els compostos C/C d'alta densitat es van utilitzar inicialment per als cons de nas de reentrada balística als anys 60 i 70. El carboni d'alta densitat, obtingut mitjançant processos de premsat isostàtic en calent i carbonització per impregnació, va substituir el dens grafit monolític. Tanmateix, aquests processos estaven associats a certs riscos, costos elevats i dificultats tècniques. A més, els processos anteriors produïen típicament compostos C/C amb una densitat a granel màxima d'1,95 g/cm3, i cap altre procés augmentava significativament la densitat dels compostos carboni-carboni.
Tecnologia patentada per a compostos d'alta densitat
Amb seu a Califòrnia, EUA, MATECH va ser fundada l'any 1989 pel Dr. Ed Pope. Segons Pope, l'empresa ha estat treballant per avançar 2700 graus F de compostos de matriu ceràmica (CMC) per a motors de turbina més eficients. Tanmateix, l'enfocament principal ha estat començar amb CMC a un 40-50% de densitat i utilitzar la tecnologia de sinterització assistida per camp (FAST), donant lloc a densitats lluny del 100% i a un rendiment baix a causa del dany de la fibra. Per tant, l'empresa es va adonar des del principi de la necessitat de densificar amb preformes, aconseguint una porositat reduïda al 7-10%. MATECH va demostrar més tard la capacitat d'aconseguir SiC/SiC dens amb densitats de fins al 99,9% en menys de 10 minuts, juntament amb la força i la duresa desitjades dels CMC.
El procés patentat de MATECH (superior) utilitza equips estàndard de tecnologia de sinterització assistida al camp (FAST) (inferior), que aplica corrent polsat i pressió a les peces CMC mitjançant motlles, millorant la reactivitat i la temperatura del material mitjançant l'escalfament Joule.
Per demostrar l'eficàcia d'aquest procés, MATECH va començar amb geometries senzilles com ara discos i plaques rectangulars. Les geometries més complexes, com la doble fulla del motor aeroespacial que es mostra a la figura, es poden produir en motlles FAST mitjançant eines de grafit, que es van dissenyar originalment per a pressió integrada de preimpregnat (PIP), però que no s'han utilitzat per crear components densos FAST. El temps de procés, la pressió i la temperatura FAST per a la conformació de peces són els mateixos que els de les geometries planes. A partir d'aquesta investigació, Pope va obtenir dues patents: una l'any 2019 per al procés i una altra l'any 2020 per a la composició del material.
La densificació dels CMC SiC/SiC i C/SiC de MATECH utilitza pressions que van des dels 30 als 100 megapascals. Aquest és el rang típic utilitzat en el processament FAST, amb nivells actuals que oscil·len entre 2.500 i 10,000 amperes, depenent de la mida de la mostra. Tanmateix, el corrent es concentra en ràfegues relativament curtes, la qual cosa la fa més eficient que les tècniques convencionals de premsat en calent. A més, la calor es genera internament dins del material, en lloc d'aplicar-se externament. Mitjançant l'ús de la pressió actual i del motlle, l'energia tèrmica s'incrementa de manera efectiva alhora que s'introdueix energia vibratòria, fent que el material sigui més reactiu.