MATECH ha sviluppato materiali compositi carbonio/carbonio ad altissima densità.
Secondo l’ultimo annuncio di MATECH, l’azienda ha sviluppato con successo compositi a base di carbonio (C/C) rinforzati con fibra di carbonio ad altissima densità. Questa tecnologia innovativa migliora la resistenza all'ablazione e all'ossidazione dei compositi C/C di 20 volte rispetto ai materiali C/C esistenti, rendendoli adatti per applicazioni impegnative come missili ad alta velocità e coni di rientro balistico e bordi d'attacco.
MATECH svelerà ufficialmente questo progetto di sviluppo brevettato alla 47a conferenza sui materiali compositi, materiali e strutture (CMS), tenutasi a St. Augustine, Florida, USA, il 23 gennaio 2024. La tecnologia di sinterizzazione assistita sul campo (FAST) di MATECH consente produzione di compositi C/C densi con un'elevata densità senza precedenti.
Utilizzando questo nuovo processo, MATECH ha raggiunto una densità apparente di oltre 2,20 g/cm3 per i compositi C/C, che è molto vicina alla densità teorica assoluta della grafite (2,26 g/cm3). Inoltre, durante la frattura è stata osservata una quantità significativa di ritiro delle fibre. I compositi FAST carbonio-carbonio possono essere facilmente estesi ai coni di prua e ai bordi d'attacco dei missili ad alta velocità. Inoltre, il processo è sicuro, economico e relativamente semplice. Questa tecnologia brevettata (brevetti USA 10464849 e 10774007) amplia il precedente lavoro di MATECH nella densificazione rapida di CMC SiC/SiC e C/SiC.
I compositi C/C ad alta densità furono inizialmente utilizzati per i coni di rientro balistico negli anni '60 e '70. Il carbonio ad alta densità, ottenuto attraverso processi di pressatura isostatica a caldo e carbonizzazione per impregnazione, ha sostituito la densa grafite monolitica. Tuttavia, questi processi erano associati a determinati rischi, costi elevati e difficoltà tecniche. Inoltre, i processi precedenti producevano tipicamente compositi C/C con una densità apparente massima di 1,95 g/cm3, e nessun altro processo aumentava significativamente la densità dei compositi carbonio-carbonio.
Tecnologia brevettata per compositi ad alta densità
Con sede in California, USA, MATECH è stata fondata nel 1989 dal Dr. Ed Pope. Secondo Pope, l'azienda sta lavorando allo sviluppo dei compositi a matrice ceramica (CMC) a 2700 gradi F per motori a turbina più efficienti. Tuttavia, l'approccio principale è iniziato con CMC con una densità del 40-50% e utilizzando la tecnologia di sinterizzazione assistita dal campo (FAST), con conseguenti densità lontane dal 100% e prestazioni scadenti a causa del danneggiamento delle fibre. Pertanto, l'azienda si è resa conto fin dall'inizio della necessità di densificazione delle preforme, ottenendo una porosità ridotta al 7-10%. MATECH ha successivamente dimostrato la capacità di ottenere SiC/SiC densi con densità fino al 99,9% in meno di 10 minuti, insieme alla resistenza e tenacità desiderate dei CMC.
Il processo brevettato di MATECH (in alto) utilizza l'attrezzatura standard FAST (Field-Assisted Sintering Technology) (in basso), che applica corrente pulsata e pressione alle parti CMC attraverso gli stampi, migliorando la reattività e la temperatura del materiale attraverso il riscaldamento Joule.
Per dimostrare l’efficacia di questo processo, MATECH è partito da geometrie semplici come dischi e piastre rettangolari. Geometrie più complesse, come la doppia pala del motore aerospaziale mostrata in figura, possono essere prodotte in stampi FAST utilizzando utensili in grafite, originariamente progettati per Prepreg-Integrated Pressure (PIP) ma non sono stati utilizzati per creare componenti densi FAST. Il tempo, la pressione e la temperatura del processo FAST per la modellatura delle parti sono gli stessi di quelli per le geometrie piatte. Sulla base di questa ricerca, Pope ha ottenuto due brevetti: uno nel 2019 per il processo e un altro nel 2020 per la composizione del materiale.
La densificazione dei CMC SiC/SiC e C/SiC di MATECH utilizza pressioni che vanno da 30 a 100 megapascal. Questo è l'intervallo tipico utilizzato nell'elaborazione FAST, con livelli di corrente che vanno da 2.500 a 10,000 ampere, a seconda della dimensione del campione. Tuttavia, la corrente è concentrata in raffiche relativamente brevi, il che la rende più efficiente rispetto alle tradizionali tecniche di pressatura a caldo. Inoltre, il calore viene generato internamente al materiale, anziché essere applicato esternamente. Utilizzando la corrente e la pressione dello stampo, l'energia termica viene effettivamente aumentata introducendo anche energia vibrazionale, rendendo il materiale più reattivo.