MATECH telah membangunkan bahan komposit karbon/karbon berketumpatan ultra tinggi.
Menurut pengumuman terbaru daripada MATECH, syarikat itu telah berjaya membangunkan komposit berasaskan karbon (C/C) bertetulang gentian karbon berketumpatan ultra tinggi. Teknologi terobosan ini meningkatkan rintangan ablatif dan pengoksidaan komposit C/C sebanyak 20 kali ganda berbanding bahan C/C sedia ada, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang menuntut seperti peluru berpandu berkelajuan tinggi dan kon hidung masuk semula balistik dan bahagian hadapan.
MATECH akan memperkenalkan secara rasmi projek pembangunan yang dipatenkan ini pada Persidangan Bahan Komposit, Bahan dan Struktur (CMS) ke-47, yang diadakan di St. Augustine, Florida, Amerika Syarikat, pada 23 Januari 2024. Teknologi Pensinteran Berbantukan Lapangan (FAST) MATECH membolehkan penghasilan komposit C/C padat dengan ketumpatan tinggi yang tidak pernah berlaku sebelum ini.
Dengan menggunakan proses baharu ini, MATECH telah mencapai ketumpatan pukal melebihi 2.20 g/cm3 untuk komposit C/C, yang sangat hampir dengan ketumpatan teori mutlak grafit (2.26 g/cm3). Selain itu, sejumlah besar penarikan serat diperhatikan semasa patah tulang. Komposit karbon-karbon FAST boleh dengan mudah dipanjangkan ke kon hidung dan bahagian hadapan peluru berpandu berkelajuan tinggi. Selain itu, prosesnya selamat, kos efektif dan agak mudah. Teknologi yang dipatenkan ini (Paten AS 10464849 dan 10774007) memperluaskan kerja MATECH sebelum ini dalam ketumpatan pantas SiC/SiC dan C/SiC CMC.
Komposit C/C berketumpatan tinggi pada mulanya digunakan untuk kon hidung masuk semula balistik pada tahun 1960-an dan 1970-an. Karbon berketumpatan tinggi, yang diperoleh melalui penekanan isostatik panas dan proses pengkarbonan impregnasi, menggantikan grafit monolitik padat. Walau bagaimanapun, proses ini dikaitkan dengan risiko tertentu, kos tinggi dan kesukaran teknikal. Tambahan pula, proses sebelumnya biasanya menghasilkan komposit C/C dengan ketumpatan pukal maksimum 1.95 g/cm3, dan tiada proses lain meningkatkan ketumpatan komposit karbon-karbon dengan ketara.
Teknologi dipatenkan untuk komposit berketumpatan tinggi
Beribu pejabat di California, Amerika Syarikat, MATECH telah diasaskan pada tahun 1989 oleh Dr. Ed Pope. Menurut Pope, syarikat itu sedang berusaha memajukan Komposit Matriks Seramik (CMC) 2700 darjah F untuk enjin turbin yang lebih cekap. Walau bagaimanapun, pendekatan utama telah bermula dengan CMC pada ketumpatan 40-50% dan menggunakan Teknologi Pensinteran Berbantukan Medan (FAST), menghasilkan ketumpatan jauh daripada 100% dan prestasi yang lemah akibat kerosakan gentian. Oleh itu, syarikat menyedari keperluan untuk ketumpatan dari awal dengan prabentuk, mencapai keliangan yang dikurangkan kepada 7-10%. MATECH kemudiannya menunjukkan keupayaan untuk mencapai SiC/SiC padat dengan ketumpatan sehingga 99.9% dalam masa kurang daripada 10 minit, bersama-sama dengan kekuatan dan keliatan CMC yang diingini.
Proses berpaten MATECH (atas) menggunakan peralatan Teknologi Pensinteran Berbantukan Lapangan (FAST) standard (bawah), yang menggunakan arus dan tekanan berdenyut pada bahagian CMC melalui acuan, meningkatkan kereaktifan bahan dan suhu melalui pemanasan Joule.
Untuk menunjukkan keberkesanan proses ini, MATECH bermula dengan geometri mudah seperti cakera dan plat segi empat tepat. Geometri yang lebih kompleks, seperti bilah berganda enjin aeroangkasa yang ditunjukkan dalam rajah, boleh dihasilkan dalam acuan FAST menggunakan perkakas grafit, yang pada asalnya direka untuk Tekanan Bersepadu Prepreg (PIP) tetapi belum digunakan untuk mencipta komponen padat FAST. Masa proses CEPAT, tekanan dan suhu untuk membentuk bahagian adalah sama seperti untuk geometri rata. Berdasarkan penyelidikan ini, Pope memperoleh dua paten: satu pada 2019 untuk proses dan satu lagi pada 2020 untuk komposisi bahan.
Pemepatan SiC/SiC dan C/SiC CMC MATECH menggunakan tekanan antara 30 hingga 100 megapascal. Ini ialah julat biasa yang digunakan dalam pemprosesan FAST, dengan tahap semasa antara 2,500 hingga 10,000 ampere, bergantung pada saiz sampel. Walau bagaimanapun, arus tertumpu dalam letusan yang agak singkat, menjadikannya lebih cekap daripada teknik menekan panas konvensional. Selain itu, haba dijana secara dalaman dalam bahan, bukannya digunakan secara luaran. Dengan menggunakan tekanan arus dan acuan, tenaga haba meningkat dengan berkesan sambil juga memperkenalkan tenaga getaran, menjadikan bahan lebih reaktif.