MATECH a développé des matériaux composites carbone/carbone à ultra haute densité.
Selon la dernière annonce de MATECH, la société a développé avec succès des composites à base de carbone (C/C) renforcés de fibres de carbone ultra haute densité. Cette technologie révolutionnaire améliore de 20 fois la résistance à l'ablation et à l'oxydation des composites C/C par rapport aux matériaux C/C existants, ce qui les rend adaptés aux applications exigeantes telles que les missiles à grande vitesse et les cônes avant et bords d'attaque de rentrée balistique.
MATECH dévoilera officiellement ce projet de développement breveté lors de la 47e conférence sur les matériaux, matériaux et structures composites (CMS), qui s'est tenue à St. Augustine, en Floride, aux États-Unis, le 23 janvier 2024. La technologie de frittage assisté sur site (FAST) de MATECH permet production de composites C/C denses avec une densité élevée sans précédent.
En employant ce nouveau procédé, MATECH a atteint une densité apparente de plus de 2,20 g/cm3 pour les composites C/C, ce qui est très proche de la densité théorique absolue du graphite (2,26 g/cm3). De plus, un arrachement important des fibres a été observé lors de la fracture. Les composites carbone-carbone FAST peuvent être facilement étendus aux cônes avant et aux bords d’attaque des missiles à grande vitesse. De plus, le processus est sûr, rentable et relativement simple. Cette technologie brevetée (brevets américains 10464849 et 10774007) étend les travaux antérieurs de MATECH en matière de densification rapide des CMC SiC/SiC et C/SiC.
Les composites C/C haute densité ont été initialement utilisés pour les cônes avant de rentrée balistique dans les années 1960 et 1970. Le carbone haute densité, obtenu par des procédés de pressage isostatique à chaud et de carbonisation par imprégnation, a remplacé le graphite monolithique dense. Cependant, ces processus étaient associés à certains risques, à des coûts élevés et à des difficultés techniques. De plus, les procédés précédents produisaient généralement des composites C/C avec une densité apparente maximale de 1,95 g/cm3, et aucun autre procédé n'augmentait de manière significative la densité des composites carbone-carbone.
Technologie brevetée pour composite haute densité
Basée en Californie, aux États-Unis, MATECH a été fondée en 1989 par le Dr Ed Pope. Selon Pope, la société travaille à l'avancement des composites à matrice céramique (CMC) à 2 700 degrés F pour des moteurs à turbine plus efficaces. Cependant, l'approche principale a consisté à commencer avec des CMC à une densité de 40-50 % et à utiliser la technologie de frittage assisté par champ (FAST), ce qui entraîne des densités loin de 100 % et des performances médiocres en raison de l'endommagement des fibres. Par conséquent, l'entreprise a compris dès le début la nécessité d'une densification avec des préformes, atteignant une porosité réduite à 7-10 %. MATECH a ensuite démontré sa capacité à obtenir du SiC/SiC dense avec des densités allant jusqu'à 99,9 % en moins de 10 minutes, ainsi que la résistance et la ténacité souhaitées des CMC.
Le processus breveté de MATECH (en haut) utilise un équipement standard de technologie de frittage assisté par champ (FAST) (en bas), qui applique un courant et une pression pulsés aux pièces CMC à travers des moules, améliorant ainsi la réactivité et la température des matériaux grâce au chauffage Joule.
Pour démontrer l'efficacité de ce processus, MATECH a commencé avec des géométries simples telles que des disques et des plaques rectangulaires. Des géométries plus complexes, comme la double pale de moteur aérospatial illustrée sur la figure, peuvent être produites dans des moules FAST à l'aide d'un outillage en graphite, initialement conçu pour la pression intégrée préimprégnée (PIP), mais qui n'a pas été utilisé pour créer des composants denses FAST. Le temps, la pression et la température du processus FAST pour le façonnage des pièces sont les mêmes que ceux pour les géométries plates. Sur la base de ces recherches, Pope a obtenu deux brevets : un en 2019 pour le procédé et un autre en 2020 pour la composition du matériau.
La densification des CMC SiC/SiC et C/SiC de MATECH utilise des pressions allant de 30 à 100 mégapascals. Il s'agit de la plage typique utilisée dans le traitement FAST, avec des niveaux de courant allant de 2 500 à 10 000 ampères, en fonction de la taille de l'échantillon. Cependant, le courant est concentré en rafales relativement courtes, ce qui le rend plus efficace que les techniques conventionnelles de pressage à chaud. De plus, la chaleur est générée à l’intérieur du matériau plutôt que d’être appliquée à l’extérieur. En utilisant le courant et la pression du moule, l’énergie thermique est efficacement augmentée tout en introduisant également de l’énergie vibratoire, rendant le matériau plus réactif.