High-Temperatuur Oplossingen: Integreren CFRP met Ceramische Matrix Composieten

Materialen die high-performance structuren mogelijk maken bij diensttemperaturen boven 500°F/230°C zijn beperkt. De opties zijn basis metalen zoals titanium en legeringen als Inconel, polyimiden (PI) of ceramische matrix composieten (CMC). Al deze zijn significant duurder dan conventionele koolstofvezel-versterkte polymere (CFRP) composieten, maar CMC's hebben belangstelling gekregen door hun lage dichtheid — ruwweg een derde van Inconel en de helft van titanium. Het nadeel van CMC's is de lange verwerkingstijden die vereist zijn om onderdelen te maken — net minder dan 30 dagen, volgens een april 2019 artikel in het American Ceramic Society Bulletin.

Echter, Pyromeral (Barbery, Frankrijk) heeft een familie producten ontwikkeld die deze kloof overbruggen, prestaties biedend tot 1.500°C met verwerking die meer op CFRP lijkt, onderdelen producerend in ruwweg één week. "We hebben nieuwe chemie ontwikkeld die geavanceerde glas-keramische matrices versterkt met continue vezels mogelijk maakt zonder de lange smeltinfiltratie stap," legt Pyromeral's sales en marketing director Guillaume Jandin uit. Het bedrijf biedt PyroKarb, PyroSic en PyroXide materialen versterkt met hoge modulus koolstof, siliciumcarbide en aluminiumoxide vezels, respectievelijk, typisch in de vorm van twee-op-twee twill weefsels, resulterend in composieten met een vezelvolumefractie (FVF) van 50%.

Thermische prestatiefactoren

Jandin legt uit dat hoewel alle drie Pyromeral materialen boven 1000°C kunnen presteren voor minder dan 1 uur, PyroKarb lange-termijn (minder dan 1.000 uur) dienst biedt bij 200°C, en tot 100 uur bij 500°C. PyroSic biedt lange-termijn dienst bij 500°C en tot 100 uur bij 800°C. PyroXide biedt korte dienst tot 1.500°C, heel dicht bij de prestaties van Ox-Ox CMC, maar tegen lagere kosten.

"Thermische prestaties in echte onderdelen hangen van veel factoren af," zegt Jandin. "Deze omvatten het type warmte (straling, convectie), of er luchtstroom is om sommige gebieden van het onderdeel af te koelen en ook welke structurele eigenschappen vereist zijn — bijv. een niet-structurele hitteschild of semi-structureel onderdeel. Of de materialen werken bij continue hoge temperatuur of in korte-duur flitsen is ook kritiek," voegt hij toe. "PyroSic en PyroKarb werken goed met het laatste, zoals herhaalde cycli van 1000°C voor een tiende seconde, afkoelen en dan herhalen. Hun lage coëfficiënt van thermische uitdijting (CTE) van ruwweg 3.10^-6 µm/m/K is een voordeel vergeleken met metalen, die neigen naar een CTE groter dan 10.10^-6 µm/m/K. Deze typen metalen lopen spanning op om snelle, hoge-temperatuur thermische cycli aan te passen en degraderen door vermoeiding, terwijl onze materialen dat niet doen."

CFRP-achtige verwerking, high-temp toepassingen

"We vonden onze matrixmaterialen uit om vloeibaar te zijn bij kamertemperatuur en gebruiken impregnatiemachines om prepreg te creëren," merkt Jandin op. De prepregs worden gelegd op CF/epoxy gereedschappen. "We werken niet met metalen gereedschappen omdat onze matrix alkalisch is en zou kunnen reageren," voegt hij toe. "De volgende stap is autoclave verdichting bij 100°C en 6 bar voor ruwweg 12 uur." Onderdelen worden ontmold en gaan dan, vrijstaand, door een twee-fasen thermisch proces bij 500-1.000°C wat de ceramisering van de matrix voltooit, resulterend in structurele componenten.

Pyromeral vond vroege succes in Formule 1 racewagens. "Onze materialen worden gebruikt in hitteschilden rond motoren en ook rond remmen, die temperaturen van 500-700°C bereiken," zegt Jandin. "Tijdens het 2012-13 F1 seizoen, gebruikte elke auto behalve Sauber onze materialen voor onderdelen om motoruitlaatgas (800°C) te sturen. Deze structuren weerstonden ook trillingen van zowel de uitlaat als chassis. We hebben nu componenten op elke auto die in F1 racet."

"Ook, we kunnen high-performance isolatie in onze materialen integreren om val van 700°C met een 6-millimeter dikte te weerstaan," gaat hij door. "Bijvoorbeeld, we maken componenten die een F1 racewagentandwielkast van CF/epoxy — die onder 180°C moet blijven — mogelijk maken om binnen 20 millimeter van de turbocompressor op 900-950°C te zitten." Andere toepassingen omvatten een PyroXide hitteschild gekwalificeerd voor de Ariane 5 lancering en onderdelen voor de Ariane 6, alsook PyroSic uitlaateinden voor grote onbemande luchtvaartuigen (UAVs).

Pyromeral heeft een partnership met Composite Resources (Rock Hill, South Carolina, VS) om zijn markt in de VS uit te breiden (zie "The building of a composites manufacturing niche"). De bedrijven zijn vergelijkbaar in omvang en delen een lange geschiedenis in racing. "Onze ervaring in onderdeelontwerp en productie is complementair aan Pyromeral's focus op chemie en materiaalprestaties," zegt Composite Resources business development director Melvil Clauson.

De twee bedrijven werken aan het voldoen aan klantenvraag voor nog hogere temperatuurbestendigheid en het karakteriseren van PyroXide's hoge radiofrequentie (RF) transparantie voor gebruik in radomen en antennes. "We zien interesse rond supersonische vliegtuigen en heel breed gedefinieerde defensietoepassingen buiten de Luchtmacht, alsook in commerciële straalmotoren," merkt Clauson op.

"Pyromeral producten zijn ook toekomstgericht," zegt Clauson, "omdat ze geen petroleum-gebaseerde stoffen bevatten — alleen water als oplosmiddel. De overige bestanddelen zijn mineralen, wat ons in staat stelt end-of-life onderdelen te verwerken tot poeder dat herbruikt kan worden in andere toepassingen."