MATECHは超高密度カーボン/カーボン複合材料を開発しました。
MATECH の最新の発表によると、同社は超高密度炭素繊維強化炭素ベース (C/C) 複合材料の開発に成功しました。 この画期的な技術により、C/C コンポジットの耐摩耗性と耐酸化性が既存の C/C 材料と比較して 20 倍向上し、高速ミサイルや弾道再突入ノーズコーンや前縁などの要求の厳しい用途に適したものになります。
MATECH は、2024 年 1 月 23 日に米国フロリダ州セント オーガスティンで開催される第 47 回複合材料、材料、構造 (CMS) カンファレンスで、この特許取得済みの開発プロジェクトを正式に発表します。MATECH のフィールド支援焼結技術 (FAST) は、これまでにない高密度の緻密なC/Cコンポジットの生産。
この新しいプロセスを採用することで、MATECH は C/C 複合材のかさ密度 2.20 g/cm3 以上を達成しました。これは、グラファイトの絶対理論密度 (2.26 g/cm3) に非常に近い値です。 さらに、破断中にかなりの量の繊維の引き抜きが観察されました。 FAST カーボンカーボン複合材料は、高速ミサイルのノーズコーンや前縁まで簡単に拡張できます。 さらに、このプロセスは安全で、費用対効果が高く、比較的簡単です。 この特許取得済みの技術 (米国特許 10464849 および 10774007) は、SiC/SiC および C/SiC CMC の急速な高密度化における MATECH の以前の研究を拡張したものです。
高密度 C/C 複合材料は、1960 年代と 1970 年代に弾道再突入ノーズ コーンに初めて使用されました。 熱間静水圧プレスおよび含浸炭化プロセスを通じて得られた高密度カーボンは、高密度のモノリシックグラファイトに取って代わりました。 ただし、これらのプロセスには一定のリスク、高コスト、技術的な困難が伴いました。 さらに、以前のプロセスでは通常、最大かさ密度 1.95 g/cm3 の C/C 複合材が製造されており、炭素 - 炭素複合材の密度を大幅に増加させるプロセスは他にありませんでした。
高密度複合材の特許技術
米国カリフォルニアに本社を置く MATECH は、1989 年にエド ポープ博士によって設立されました。 Pope 氏によると、同社はより効率的なタービン エンジンを実現する 2700 度 F セラミック マトリックス複合材料 (CMC) の開発に取り組んでいます。 ただし、主なアプローチは、40-50% の密度の CMC から開始し、フィールド支援焼結技術 (FAST) を使用することであり、その結果、密度は 100% から遠く離れ、繊維の損傷により性能が低下します。 したがって、同社はプリフォームの当初から緻密化の必要性を認識し、気孔率を 7-10% まで低減することを達成しました。 MATECH はその後、CMC の望ましい強度と靱性とともに、10 分以内に最大 99.9% の密度を備えた緻密な SiC/SiC を達成できる能力を実証しました。
MATECH の特許取得プロセス (上) は、標準的なフィールド支援焼結技術 (FAST) 装置 (下) を利用しており、金型を通して CMC 部品にパルス電流と圧力を加え、ジュール加熱によって材料の反応性と温度を高めます。
このプロセスの有効性を実証するために、MATECH はディスクや長方形のプレートなどの単純な形状から開始しました。 図に示す航空宇宙エンジンのダブル ブレードのような、より複雑な形状は、グラファイト ツールを使用して FAST 金型で製造できます。グラファイト ツールは、もともとプリプレグ統合圧力 (PIP) 用に設計されましたが、FAST 高密度コンポーネントの作成には使用されていませんでした。 部品を成形するための FAST プロセス時間、圧力、温度は、平坦な形状の場合と同じです。 この研究に基づいて、ポープは 2 つの特許を取得しました。1 つは 2019 年にプロセスに関するもの、もう 1 つは材料組成に関するものです。
MATECH の SiC/SiC および C/SiC CMC の高密度化には、30 ～ 100 メガパスカルの範囲の圧力が使用されます。 これは FAST 処理で使用される一般的な範囲で、電流レベルはサンプル サイズに応じて 2,500 ～ 10,000 アンペアの範囲になります。 ただし、電流は比較的短いバーストに集中するため、従来のホットプレス技術よりも効率的になります。 さらに、熱は外部から加えられるのではなく、材料の内部で生成されます。 電流と金型圧力を使用することで、熱エネルギーが効果的に増加すると同時に振動エネルギーも導入され、材料の反応性が高まります。