قامت شركة MATECH بتطوير مواد مركبة من الكربون/الكربون عالية الكثافة.
وفقًا لأحدث إعلان من MATECH، نجحت الشركة في تطوير مركبات قائمة على الكربون (C/C) عالية الكثافة ومعززة بألياف الكربون. تعمل هذه التقنية المتقدمة على تعزيز مقاومة التآكل والأكسدة لمركبات C/C بمقدار 20 مرة مقارنة بمواد C/C الموجودة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصعبة مثل الصواريخ عالية السرعة وأقماع الأنف الباليستية والحواف الأمامية.
ستكشف MATECH رسميًا عن مشروع التطوير الحاصل على براءة اختراع هذا في المؤتمر السابع والأربعين للمواد والمواد والهياكل المركبة (CMS)، الذي عقد في سانت أوغسطين، فلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية، في 23 يناير 2024. تتيح تقنية التلبيد المدعومة ميدانيًا (FAST) من MATECH إنتاج مركبات C/C كثيفة ذات كثافة عالية غير مسبوقة.
من خلال استخدام هذه العملية الجديدة، حققت MATECH كثافة كبيرة تزيد عن 2.20 جم/سم3 لمركبات C/C، وهي قريبة جدًا من الكثافة النظرية المطلقة للجرافيت (2.26 جم/سم3). بالإضافة إلى ذلك، لوحظ وجود كمية كبيرة من انسحاب الألياف أثناء الكسر. يمكن تمديد مركبات الكربون الكربونية FAST بسهولة إلى مخاريط الأنف والحواف الأمامية للصواريخ عالية السرعة. علاوة على ذلك، فإن العملية آمنة وفعالة من حيث التكلفة ومباشرة نسبيًا. تتوسع هذه التقنية الحاصلة على براءة اختراع (براءات الاختراع الأمريكية 10464849 و10774007) على عمل MATECH السابق في التكثيف السريع لـ SiC/SiC وC/SiC CMCs.
تم استخدام مركبات C/C عالية الكثافة في البداية في مخاريط أنف إعادة الدخول الباليستية في الستينيات والسبعينيات. حل الكربون عالي الكثافة، الذي تم الحصول عليه من خلال عمليات الكربنة والتشريب بالضغط المتوازن الساخن، محل الجرافيت الكثيف المتجانس. ومع ذلك، ارتبطت هذه العمليات بمخاطر معينة وتكاليف عالية وصعوبات فنية. علاوة على ذلك، أنتجت العمليات السابقة عادةً مركبات C/C بأقصى كثافة ظاهرية تبلغ 1.95 جم/سم3، ولم تؤدي أي عملية أخرى إلى زيادة كثافة مركبات الكربون-كربون بشكل ملحوظ.
تقنية حاصلة على براءة اختراع للمركب عالي الكثافة
يقع المقر الرئيسي لشركة MATECH في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية، وقد تم تأسيسها في عام 1989 على يد الدكتور إد بوب. وفقًا لبوب، تعمل الشركة على تطوير مركبات المصفوفة الخزفية بدرجة حرارة 2700 درجة فهرنهايت (CMCs) من أجل محركات توربينية أكثر كفاءة. ومع ذلك، كان النهج الرئيسي هو البدء باستخدام CMCs بكثافة 40-50% واستخدام تقنية التلبيد بمساعدة الحقل (FAST)، مما أدى إلى كثافات بعيدة عن 100% وأداء ضعيف بسبب تلف الألياف. ولذلك، أدركت الشركة الحاجة إلى التكثيف منذ البداية باستخدام القوالب، مما أدى إلى تقليل المسامية إلى 7-10%. أثبتت MATECH لاحقًا القدرة على تحقيق كثافة SiC/SiC بكثافة تصل إلى 99.9% في أقل من 10 دقائق، إلى جانب القوة والمتانة المرغوبة لمركبات CMC.
تستخدم عملية MATECH الحاصلة على براءة اختراع (أعلى) معدات تقنية التلبيد القياسية (FAST) (أسفل)، والتي تطبق التيار النبضي والضغط على أجزاء CMC من خلال القوالب، مما يعزز تفاعل المواد ودرجة الحرارة من خلال تسخين جول.
ولإثبات فعالية هذه العملية، بدأت MATECH بأشكال هندسية بسيطة مثل الأقراص والألواح المستطيلة. يمكن إنتاج أشكال هندسية أكثر تعقيدًا، مثل الشفرة المزدوجة لمحرك الطيران الفضائي الموضحة في الشكل، في قوالب FAST باستخدام أدوات الجرافيت، والتي تم تصميمها في الأصل للضغط المسبق المتكامل (PIP) ولكن لم يتم استخدامها لإنشاء مكونات FAST كثيفة. إن وقت العملية السريعة والضغط ودرجة الحرارة لتشكيل الأجزاء هي نفس تلك الخاصة بالأشكال الهندسية المسطحة. وبناء على هذا البحث، حصل بوب على براءتي اختراع: واحدة في عام 2019 للعملية وأخرى في عام 2020 لتركيب المواد.
يستخدم تكثيف SiC/SiC وC/SiC CMCs من MATECH ضغوطًا تتراوح من 30 إلى 100 ميجاباسكال. هذا هو النطاق النموذجي المستخدم في المعالجة السريعة، حيث تتراوح المستويات الحالية من 2500 إلى 10 000 أمبير، اعتمادًا على حجم العينة. ومع ذلك، فإن التيار يتركز في دفعات قصيرة نسبيًا، مما يجعله أكثر كفاءة من تقنيات الضغط الساخن التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، يتم توليد الحرارة داخليًا داخل المادة، بدلاً من تطبيقها خارجيًا. باستخدام ضغط التيار والعفن، يتم زيادة الطاقة الحرارية بشكل فعال مع إدخال طاقة اهتزازية، مما يجعل المادة أكثر تفاعلاً.