MATECH telah mengembangkan material komposit karbon/karbon dengan kepadatan sangat tinggi.
Menurut pengumuman terbaru dari MATECH, perusahaan telah berhasil mengembangkan komposit berbasis karbon (C/C) yang diperkuat serat karbon dengan kepadatan sangat tinggi. Teknologi terobosan ini meningkatkan ketahanan ablatif dan oksidasi komposit C/C sebesar 20 kali lipat dibandingkan material C/C yang sudah ada, menjadikannya cocok untuk aplikasi berat seperti rudal berkecepatan tinggi dan kerucut hidung balistik masuk kembali serta tepi depan.
MATECH akan secara resmi mengungkap proyek pengembangan yang dipatenkan ini pada Konferensi Bahan, Bahan, dan Struktur Komposit (CMS) ke-47, yang diadakan di St. Augustine, Florida, AS, pada tanggal 23 Januari 2024. Teknologi Sintering Berbantuan Lapangan (FAST) MATECH memungkinkan produksi komposit C/C padat dengan kepadatan tinggi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Dengan menggunakan proses baru ini, MATECH telah mencapai kerapatan curah lebih dari 2,20 g/cm3 untuk komposit C/C, yang sangat mendekati kerapatan teoritis absolut grafit (2,26 g/cm3). Selain itu, sejumlah besar penarikan serat diamati selama patah tulang. Komposit karbon-karbon FAST dapat dengan mudah diperluas ke kerucut hidung dan ujung depan rudal berkecepatan tinggi. Selain itu, prosesnya aman, hemat biaya, dan relatif mudah. Teknologi yang dipatenkan ini (Paten AS 10464849 dan 10774007) memperluas karya MATECH sebelumnya dalam densifikasi cepat CMC SiC/SiC dan C/SiC.
Komposit C/C berdensitas tinggi awalnya digunakan untuk kerucut hidung masuk kembali balistik pada tahun 1960an dan 1970an. Karbon berdensitas tinggi, diperoleh melalui proses karbonisasi pengepresan isostatik panas dan impregnasi, menggantikan grafit monolitik padat. Namun, proses ini memiliki risiko tertentu, biaya tinggi, dan kesulitan teknis. Selain itu, proses sebelumnya biasanya menghasilkan komposit C/C dengan densitas curah maksimum 1,95 g/cm3, dan tidak ada proses lain yang secara signifikan meningkatkan densitas komposit karbon-karbon.
Teknologi yang dipatenkan untuk komposit kepadatan tinggi
Berkantor pusat di California, AS, MATECH didirikan pada tahun 1989 oleh Dr. Ed Pope. Menurut Pope, perusahaan telah berupaya mengembangkan Ceramic Matrix Composites (CMC) 2700 derajat F untuk mesin turbin yang lebih efisien. Namun, pendekatan utama telah dimulai dengan CMC dengan kepadatan 40-50% dan menggunakan Teknologi Sintering Berbantuan Lapangan (FAST), sehingga menghasilkan kepadatan yang jauh dari 100% dan kinerja buruk akibat kerusakan serat. Oleh karena itu, perusahaan menyadari perlunya densifikasi sejak awal dengan preforms, sehingga porositas dapat berkurang hingga 7-10%. MATECH kemudian menunjukkan kemampuan untuk mencapai SiC/SiC padat dengan kepadatan hingga 99,9% dalam waktu kurang dari 10 menit, bersama dengan kekuatan dan ketangguhan CMC yang diinginkan.
Proses MATECH yang dipatenkan (atas) menggunakan peralatan standar Field-Assisted Sintering Technology (FAST) (bawah), yang menerapkan arus dan tekanan berdenyut ke bagian CMC melalui cetakan, meningkatkan reaktivitas material dan suhu melalui pemanasan Joule.
Untuk menunjukkan efektivitas proses ini, MATECH memulai dengan geometri sederhana seperti cakram dan pelat persegi panjang. Geometri yang lebih kompleks, seperti bilah ganda mesin dirgantara yang ditunjukkan pada gambar, dapat diproduksi dalam cetakan FAST menggunakan perkakas grafit, yang pada awalnya dirancang untuk Prepreg-Integrated Pressure (PIP) namun belum digunakan untuk membuat komponen padat FAST. Waktu proses, tekanan, dan suhu CEPAT untuk membentuk komponen sama dengan geometri datar. Berdasarkan penelitian tersebut, Pope memperoleh dua paten: satu pada tahun 2019 untuk proses dan satu lagi pada tahun 2020 untuk komposisi material.
Densifikasi CMC SiC/SiC dan C/SiC MATECH menggunakan tekanan berkisar antara 30 hingga 100 megapascal. Ini adalah kisaran umum yang digunakan dalam pemrosesan FAST, dengan level saat ini berkisar antara 2.500 hingga 10,000 ampere, bergantung pada ukuran sampel. Namun, arusnya terkonsentrasi dalam semburan yang relatif singkat, sehingga lebih efisien dibandingkan teknik pengepresan panas konvensional. Selain itu, panas dihasilkan secara internal di dalam material, bukan diterapkan secara eksternal. Dengan menggunakan arus dan tekanan cetakan, energi panas secara efektif ditingkatkan sekaligus memasukkan energi getaran, menjadikan material lebih reaktif.