MATECH는 초고밀도 탄소/탄소 복합재료를 개발했습니다.
MATECH가 최근 발표한 바에 따르면, 회사는 초고밀도 탄소섬유 강화 탄소 기반(C/C) 복합재 개발에 성공했습니다. 이 획기적인 기술은 기존 C/C 소재에 비해 C/C 복합재의 내마모성 및 내산화성을 20배 향상시켜 고속 미사일, 탄도 재진입 노즈콘 및 리딩 엣지와 같은 까다로운 응용 분야에 적합하게 만듭니다.
MATECH는 2024년 1월 23일 미국 플로리다주 세인트오거스틴에서 개최되는 제47회 복합재료, 재료 및 구조(CMS) 컨퍼런스에서 이 특허 개발 프로젝트를 공식 공개할 예정입니다. MATECH의 FAST(Field-Assisted Sintering Technology)는 전례 없는 고밀도 C/C 복합재 생산.
MATECH는 이 새로운 공정을 사용하여 C/C 복합재에 대해 2.20g/cm3 이상의 벌크 밀도를 달성했는데, 이는 흑연의 이론 절대 밀도(2.26g/cm3)에 매우 가깝습니다. 또한, 파단 중에 상당한 양의 섬유 풀아웃이 관찰되었습니다. FAST 탄소-탄소 복합재는 고속 미사일의 노즈콘과 앞쪽 가장자리까지 쉽게 확장될 수 있습니다. 게다가 이 프로세스는 안전하고 비용 효율적이며 비교적 간단합니다. 이 특허 기술(미국 특허 10464849 및 10774007)은 SiC/SiC 및 C/SiC CMC의 신속한 치밀화에 대한 MATECH의 이전 작업을 확장합니다.
고밀도 C/C 복합재료는 처음에 1960년대와 1970년대에 탄도 재돌입 노즈콘에 사용되었습니다. 열간 등압 성형과 함침 탄화 공정을 통해 얻은 고밀도 탄소가 조밀한 단일체 흑연을 대체했습니다. 그러나 이러한 프로세스에는 특정 위험, 높은 비용 및 기술적 어려움이 수반되었습니다. 또한, 이전 공정에서는 일반적으로 최대 부피 밀도가 1.95g/cm3인 C/C 복합재를 생산했으며, 탄소-탄소 복합재의 밀도를 크게 증가시키는 다른 공정은 없었습니다.
고밀도 복합재 특허기술
미국 캘리포니아에 본사를 둔 MATECH는 Ed Pope 박사가 1989년에 설립했습니다. Pope에 따르면, 회사는 보다 효율적인 터빈 엔진을 위해 화씨 2700도 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 발전시키기 위해 노력해 왔습니다. 그러나 주요 접근 방식은 40-50% 밀도의 CMC로 시작하여 FAST(Field-Assisted Sintering Technology)를 사용하여 밀도가 100%에 훨씬 못 미치고 섬유 손상으로 인해 성능이 저하되었습니다. 따라서 회사는 처음부터 프리폼을 통한 치밀화의 필요성을 인식하여 기공률을 7-10%로 감소시켰습니다. MATECH는 나중에 원하는 CMC 강도 및 인성과 함께 10분 이내에 최대 99.9% 밀도의 조밀한 SiC/SiC를 달성할 수 있는 능력을 입증했습니다.
MATECH의 특허 프로세스(상단)는 표준 FAST(Field-Assisted Sintering Technology) 장비(하단)를 활용합니다. 이 장비는 금형을 통해 CMC 부품에 펄스 전류와 압력을 가하여 줄 가열을 통해 재료 반응성과 온도를 향상시킵니다.
이 프로세스의 효율성을 입증하기 위해 MATECH는 디스크 및 직사각형 플레이트와 같은 단순한 형상으로 시작했습니다. 그림에 표시된 항공우주 엔진 이중 블레이드와 같은 더 복잡한 형상은 원래 PIP(Prepreg-Integrated Pressure)용으로 설계되었지만 FAST 밀도가 높은 부품을 만드는 데 사용되지 않은 흑연 툴링을 사용하여 FAST 금형에서 생산할 수 있습니다. 성형 부품의 FAST 공정 시간, 압력 및 온도는 평면 형상의 경우와 동일합니다. 이 연구를 바탕으로 Pope는 2019년에 공정에 대한 특허 하나, 2020년에 재료 구성에 대한 특허 두 개를 획득했습니다.
MATECH의 SiC/SiC 및 C/SiC CMC의 치밀화는 30~100메가파스칼 범위의 압력을 활용합니다. 이는 FAST 처리에 사용되는 일반적인 범위이며 현재 수준은 샘플 크기에 따라 2,500~10,{5}}암페어입니다. 그러나 전류는 상대적으로 짧은 순간에 집중되므로 기존의 열간 압착 기술보다 효율적입니다. 또한 열은 외부에서 발생하는 것이 아니라 재료 내부에서 발생합니다. 전류와 금형 압력을 사용하면 열 에너지가 효과적으로 증가하는 동시에 진동 에너지도 도입되어 재료의 반응성이 높아집니다.