توسعه مواد کامپوزیتی کربن/کربن با چگالی فوق العاده بالا در خارج از کشور، پتانسیل کاربرد در موشک های مافوق صوت را دارد.

MATECH مواد کامپوزیت کربن/کربن با چگالی فوق العاده بالا را توسعه داده است.

طبق آخرین اعلامیه MATECH، این شرکت با موفقیت کامپوزیت های مبتنی بر کربن (C/C) تقویت شده با فیبر کربن با چگالی فوق العاده بالا را توسعه داده است. این فناوری پیشرفت، مقاومت فرسایشی و اکسیداسیون کامپوزیت‌های C/C را تا 20 برابر در مقایسه با مواد C/C موجود افزایش می‌دهد و آنها را برای برنامه‌های کاربردی مانند موشک‌های پرسرعت، مخروط‌های دماغه بالستیک و لبه‌های جلویی مناسب می‌سازد.
MATECH به طور رسمی از این پروژه توسعه ثبت شده در چهل و هفتمین کنفرانس مواد، مواد و سازه های مرکب (CMS) که در سنت آگوستین، فلوریدا، ایالات متحده آمریکا در 23 ژانویه 2024 برگزار شد، رونمایی خواهد کرد. تولید کامپوزیت های C/C متراکم با چگالی بالا بی سابقه.
 

با استفاده از این فرآیند جدید، MATECH به چگالی ظاهری بیش از 2.20 گرم بر سانتی متر مکعب برای کامپوزیت های C/C دست یافته است که بسیار نزدیک به چگالی نظری مطلق گرافیت (2.26 گرم بر سانتی متر مکعب) است. علاوه بر این، مقدار قابل توجهی خروج فیبر در طول شکستگی مشاهده شد. کامپوزیت های کربن-کربن FAST را می توان به راحتی تا مخروط های دماغه و لبه های جلویی موشک های پرسرعت گسترش داد. علاوه بر این، این فرآیند ایمن، مقرون به صرفه و نسبتاً ساده است. این فناوری ثبت اختراع (اختراعات ایالات متحده 10464849 و 10774007) کار قبلی MATECH در چگالش سریع سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی را گسترش می دهد.

کامپوزیت های C/C با چگالی بالا در ابتدا برای مخروط های بینی بالستیک در دهه 1960 و 1970 مورد استفاده قرار گرفتند. کربن با چگالی بالا که از طریق پرس ایزواستاتیک داغ و فرآیندهای کربنیزاسیون اشباع به دست می‌آید، جایگزین گرافیت یکپارچه متراکم شد. با این حال، این فرآیندها با خطرات خاص، هزینه های بالا و مشکلات فنی همراه بود. علاوه بر این، فرآیندهای قبلی معمولاً کامپوزیت‌های C/C را با حداکثر چگالی ظاهری 1.95 گرم بر سانتی‌متر مکعب تولید می‌کردند و هیچ فرآیند دیگری به طور قابل‌توجهی چگالی کامپوزیت‌های کربن-کربن را افزایش نداد.

                                                         فناوری ثبت اختراع برای کامپوزیت با چگالی بالا
دفتر مرکزی MATECH در کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا، در سال 1989 توسط دکتر اد پوپ تاسیس شد. به گفته پاپ، این شرکت روی پیشرفت کامپوزیت های سرامیکی ماتریس 2700 درجه فارنهایت (CMCs) برای موتورهای توربین کارآمدتر کار کرده است. با این حال، رویکرد اصلی شروع با CMC ها با تراکم 40-50٪ و استفاده از فناوری تف جوشی به کمک میدان (FAST) بوده است که منجر به چگالی دور از 100٪ و عملکرد ضعیف به دلیل آسیب فیبر شده است. بنابراین، شرکت از همان ابتدا نیاز به چگالش را با پریفرم ها دریافت و به کاهش تخلخل تا 7-10% دست یافت. MATECH بعداً توانایی دستیابی به SiC/SiC متراکم با چگالی تا 99.9% را در کمتر از 10 دقیقه به همراه استحکام و چقرمگی مورد نظر CMC ها نشان داد.
 

فرآیند ثبت اختراع MATECH (بالا) از تجهیزات استاندارد فناوری تف جوشی به کمک میدان (FAST) (پایین) استفاده می کند که جریان و فشار پالسی را از طریق قالب ها به قطعات CMC اعمال می کند و واکنش پذیری مواد و دما را از طریق گرمایش ژول افزایش می دهد.

برای نشان دادن اثربخشی این فرآیند، MATECH با هندسه های ساده مانند دیسک ها و صفحات مستطیلی شروع به کار کرد. هندسه های پیچیده تر، مانند تیغه دوبل موتور هوافضا نشان داده شده در شکل، را می توان در قالب های FAST با استفاده از ابزار گرافیت تولید کرد، که در ابتدا برای فشار یکپارچه Prepreg (PIP) طراحی شده بود اما برای ایجاد اجزای متراکم FAST استفاده نشده است. زمان فرآیند FAST، فشار و دما برای شکل دادن به قطعات مانند هندسه های مسطح است. بر اساس این تحقیقات، پوپ دو اختراع به دست آورد: یکی در سال 2019 برای فرآیند و دیگری در سال 2020 برای ترکیب مواد.

چگالش سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی ام اچ از فشارهای بین 30 تا 100 مگا پاسکال استفاده می کند. این محدوده معمولی است که در پردازش سریع استفاده می شود، با سطوح فعلی از 2500 تا 10،{5}} آمپر، بسته به اندازه نمونه. با این حال، جریان در فوران‌های نسبتاً کوتاه متمرکز می‌شود و کارآمدتر از تکنیک‌های پرس داغ معمولی است. علاوه بر این، گرما به جای اعمال بیرونی، در داخل ماده تولید می شود. با استفاده از فشار جریان و قالب، انرژی حرارتی به طور موثر افزایش می یابد و همچنین انرژی ارتعاشی وارد می شود و باعث واکنش پذیری مواد می شود.