A MATECH desenvolveu materiais compostos de carbono/carbono de ultra-alta densidade.
De acordo com o último anúncio da MATECH, a empresa desenvolveu com sucesso compósitos à base de carbono (C/C) reforçados com fibra de carbono de ultra-alta densidade. Esta tecnologia inovadora aumenta a resistência à ablação e à oxidação dos compósitos C/C em 20 vezes em comparação com os materiais C/C existentes, tornando-os adequados para aplicações exigentes, como mísseis de alta velocidade e cones de nariz e bordas de ataque de reentrada balística.
A MATECH revelará oficialmente este projeto de desenvolvimento patenteado na 47ª Conferência de Materiais Compostos, Materiais e Estruturas (CMS), realizada em St. Augustine, Flórida, EUA, em 23 de janeiro de 2024. A Tecnologia de Sinterização Assistida em Campo (FAST) da MATECH permite o produção de compósitos C/C densos com alta densidade sem precedentes.
Ao empregar este novo processo, a MATECH alcançou uma densidade aparente superior a 2,20 g/cm3 para os compósitos C/C, que está muito próxima da densidade teórica absoluta da grafite (2,26 g/cm3). Além disso, uma quantidade significativa de arrancamento de fibras foi observada durante a fratura. Os compostos carbono-carbono FAST podem ser facilmente estendidos aos cones do nariz e aos bordos de ataque dos mísseis de alta velocidade. Além disso, o processo é seguro, econômico e relativamente simples. Esta tecnologia patenteada (patentes dos EUA 10464849 e 10774007) expande o trabalho anterior da MATECH em densificação rápida de CMCs SiC/SiC e C/SiC.
Compósitos C/C de alta densidade foram inicialmente usados para cones de nariz de reentrada balística nas décadas de 1960 e 1970. O carbono de alta densidade, obtido através de processos de prensagem isostática a quente e carbonização por impregnação, substituiu a densa grafite monolítica. No entanto, estes processos estavam associados a certos riscos, custos elevados e dificuldades técnicas. Além disso, os processos anteriores normalmente produziam compósitos C/C com uma densidade aparente máxima de 1,95 g/cm3, e nenhum outro processo aumentou significativamente a densidade dos compósitos carbono-carbono.
Tecnologia patenteada para compósito de alta densidade
Sediada na Califórnia, EUA, a MATECH foi fundada em 1989 pelo Dr. Ed Pope. De acordo com Pope, a empresa tem trabalhado no desenvolvimento de Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs) de 2700 graus F para motores de turbina mais eficientes. No entanto, a principal abordagem tem sido começar com CMCs com 40-50% de densidade e usar tecnologia de sinterização assistida em campo (FAST), resultando em densidades distantes de 100% e baixo desempenho devido a danos nas fibras. Portanto, a empresa percebeu a necessidade de adensamento desde o início com pré-formas, conseguindo uma porosidade reduzida para 7-10%. Mais tarde, a MATECH demonstrou a capacidade de atingir SiC/SiC denso com densidades de até 99,9% em menos de 10 minutos, juntamente com a resistência e tenacidade desejadas dos CMCs.
O processo patenteado da MATECH (parte superior) utiliza equipamento padrão de tecnologia de sinterização assistida em campo (FAST) (parte inferior), que aplica corrente pulsada e pressão às peças CMC através de moldes, melhorando a reatividade e a temperatura do material através do aquecimento Joule.
Para demonstrar a eficácia deste processo, a MATECH começou com geometrias simples como discos e placas retangulares. Geometrias mais complexas, como a lâmina dupla do motor aeroespacial mostrada na figura, podem ser produzidas em moldes FAST usando ferramentas de grafite, que foram originalmente projetadas para pressão integrada pré-impregnada (PIP), mas não foram usadas para criar componentes densos FAST. O tempo, a pressão e a temperatura do processo FAST para moldar peças são os mesmos daqueles para geometrias planas. Com base nesta pesquisa, Pope obteve duas patentes: uma em 2019 para o processo e outra em 2020 para a composição do material.
A densificação dos CMCs SiC/SiC e C/SiC da MATECH utiliza pressões que variam de 30 a 100 megapascais. Este é o intervalo típico usado no processamento FAST, com níveis de corrente variando de 2.500 a 10,000 amperes, dependendo do tamanho da amostra. No entanto, a corrente é concentrada em rajadas relativamente curtas, tornando-a mais eficiente do que as técnicas convencionais de prensagem a quente. Além disso, o calor é gerado internamente no material, em vez de ser aplicado externamente. Ao utilizar a corrente e a pressão do molde, a energia térmica é efetivamente aumentada, ao mesmo tempo que introduz energia vibracional, tornando o material mais reativo.