MATECH ha desarrollado materiales compuestos de carbono/carbono de ultra alta densidad.
Según el último anuncio de MATECH, la compañía ha desarrollado con éxito compuestos a base de carbono (C/C) reforzados con fibra de carbono de ultra alta densidad. Esta innovadora tecnología mejora la resistencia ablativa y a la oxidación de los compuestos C/C 20 veces en comparación con los materiales C/C existentes, lo que los hace adecuados para aplicaciones exigentes como misiles de alta velocidad y conos de nariz y bordes de ataque de reentrada balística.
MATECH dará a conocer oficialmente este proyecto de desarrollo patentado en la 47.a Conferencia de Materiales, Materiales y Estructuras Compuestas (CMS), celebrada en St. Augustine, Florida, EE. UU., el 23 de enero de 2024. La tecnología de sinterización asistida por campo (FAST) de MATECH permite producción de compuestos C/C densos con una alta densidad sin precedentes.
Al emplear este nuevo proceso, MATECH ha logrado una densidad aparente de más de 2,20 g/cm3 para los compuestos C/C, que está muy cerca de la densidad teórica absoluta del grafito (2,26 g/cm3). Además, se observó una cantidad significativa de extracción de fibras durante la fractura. Los compuestos de carbono-carbono FAST se pueden extender fácilmente a los conos de nariz y a los bordes de ataque de misiles de alta velocidad. Además, el proceso es seguro, rentable y relativamente sencillo. Esta tecnología patentada (Patentes de EE. UU. 10464849 y 10774007) amplía el trabajo anterior de MATECH en la densificación rápida de CMC de SiC/SiC y C/SiC.
Los compuestos C/C de alta densidad se utilizaron inicialmente para conos de reentrada balística en los años 1960 y 1970. El carbono de alta densidad, obtenido mediante procesos de carbonización por impregnación y prensado isostático en caliente, reemplazó al denso grafito monolítico. Sin embargo, estos procesos estaban asociados con ciertos riesgos, altos costos y dificultades técnicas. Además, los procesos anteriores normalmente producían compuestos C/C con una densidad aparente máxima de 1,95 g/cm3, y ningún otro proceso aumentaba significativamente la densidad de los compuestos carbono-carbono.
Tecnología patentada para composite de alta densidad
MATECH, con sede en California, EE. UU., fue fundada en 1989 por el Dr. Ed Pope. Según Pope, la compañía ha estado trabajando en el avance de compuestos de matriz cerámica (CMC) de 2700 grados F para motores de turbina más eficientes. Sin embargo, el enfoque principal ha sido comenzar con CMC con una densidad del 40-50 % y utilizar tecnología de sinterización asistida en campo (FAST), lo que ha dado como resultado densidades alejadas del 100 % y un rendimiento deficiente debido al daño de la fibra. Por ello, la empresa se dio cuenta desde el principio de la necesidad de densificar las preformas, consiguiendo reducir la porosidad al 7-10%. Posteriormente, MATECH demostró la capacidad de lograr SiC/SiC denso con densidades de hasta el 99,9 % en menos de 10 minutos, junto con la resistencia y tenacidad deseadas de las CMC.
El proceso patentado de MATECH (arriba) utiliza equipo estándar de tecnología de sinterización asistida por campo (FAST) (abajo), que aplica corriente pulsada y presión a las piezas CMC a través de moldes, mejorando la reactividad del material y la temperatura mediante calentamiento Joule.
Para demostrar la eficacia de este proceso, MATECH comenzó con geometrías simples como discos y placas rectangulares. Se pueden producir geometrías más complejas, como la doble pala del motor aeroespacial que se muestra en la figura, en moldes FAST utilizando herramientas de grafito, que se diseñaron originalmente para presión integrada de preimpregnado (PIP), pero que no se han utilizado para crear componentes densos FAST. El tiempo, la presión y la temperatura del proceso RÁPIDO para dar forma a las piezas son los mismos que para las geometrías planas. A partir de esta investigación, Pope obtuvo dos patentes: una en 2019 para el proceso y otra en 2020 para la composición del material.
La densificación de los CMC de SiC/SiC y C/SiC de MATECH utiliza presiones que oscilan entre 30 y 100 megapascales. Este es el rango típico utilizado en el procesamiento FAST, con niveles de corriente que oscilan entre 2500 y 10000 amperios, según el tamaño de la muestra. Sin embargo, la corriente se concentra en ráfagas relativamente cortas, lo que la hace más eficiente que las técnicas convencionales de prensado en caliente. Además, el calor se genera internamente dentro del material, en lugar de aplicarse externamente. Al utilizar la corriente y la presión del molde, la energía térmica aumenta efectivamente y al mismo tiempo se introduce energía vibratoria, lo que hace que el material sea más reactivo.