Высокотемпературные решения: интеграция CFRP с керамическими матричными композитами

Материалы, позволяющие высокопроизводительным структурам при рабочих температурах выше 500°F/230°C, ограничены. Варианты в основном — металлы вроде титана и сплавы вроде Инконеля, полиимиды (PI) или керамические матричные композиты (CMC). Все они значительно дороже обычных углеродноволокнисто-полимерных (CFRP) композитов, но CMC набирают интерес благодаря низкой плотности — примерно треть Инконеля и половина титана. Недостаток CMC — длительные временные затраты на изготовление деталей — чуть менее 30 дней, по статье за апрель 2019 в American Ceramic Society Bulletin.

Однако Pyromeral (Барбери, Франция) разработала семейство продуктов, замыкающих этот разрыв, предлагающих производительность до 1500°C с обработкой, более похожей на CFRP, производящими детали примерно за неделю. «Мы разработали новаторскую химию, позволяющую передовые стекло-керамические матрицы, усиленные непрерывными волокнами, без длительного этапа расплавленной инфильтрации», — объясняет директор по продажам и маркетингу Pyromeral Гийом Жанден. Компания предлагает PyroKarb, PyroSic и PyroXide материалы, усиленные высокомодульными углеродным, карбидом кремния и оксидом алюминия волокнами соответственно, обычно в виде ткацких тканей 2x2, давая композиты с объемной долей волокна (FVF) 50%.

Факторы термической производительности

Жанден объясняет, что хотя все три материала Pyromeral могут работать выше 1000°C менее часа, PyroKarb предлагает долгосрочную (менее 1000 часов) службу при 200°C и до 100 часов при 500°C. PyroSic предлагает долгосрочную службу при 500°C и до 100 часов при 800°C. PyroXide предлагает кратковременную службу до 1500°C, очень близко к производительности Ox-Ox CMC, но по более низкой стоимости.

«Термическая производительность в реальных деталях зависит от многих факторов», — говорит Жанден. «Включая тип тепла (радиационное, конвективное), есть ли воздушный поток для охлаждения некоторых областей детали и какие структурные свойства требуются — например, неструктурный теплощит или полуструктурная деталь. Критично также, работают ли материалы при непрерывной высокой температуре или в коротких вспышках. PyroSic и PyroKarb хорошо работают с последним, например, повторяющиеся циклы 1000°C на одну десятую секунды, остывание и повтор. Их низкий коэффициент термического расширения (КТР) примерно 3,10⁻⁶ мкм/м/К — преимущество по сравнению с металлами, тенденция которых к КТР больше 10,10⁻⁶ мкм/м/К. Эти металлы испытывают стресс для приспособления к быстрому высокотемпературному термическому циклированию и деградируют из-за усталости, в то время как наши материалы — нет».

CFRP-подобная обработка, высокотемпературные применения

«Мы изобрели наши матричные материалы жидкими при комнатной температуре и используем инфильтрационные машины для создания препрега», — отмечает Жанден. Препреги укладываются на CF/эпоксидные инструменты. «Мы не работаем с металлическими инструментами, потому что наша матрица щелочная и может реагировать», — добавляет он. «Следующий этап — автоклавная денсификация при 100°C и 6 бар примерно 12 часов». Детали снимаются с форм и затем проходят, свободно стоя, через двухстадийный термический процесс при 500-1000°C, завершающий керамизацию матрицы, в результате чего получаются структурные компоненты.

Pyromeral нашла ранний успех в Формуле 1. «Наши материалы используются в теплощитах вокруг двигателей и вокруг тормозов, достигающих 500-700°C», — говорит Жанден. «В сезоне 2012-13 F1 каждый автомобиль кроме Sauber использовал наши материалы для деталей направления выхлопных газов двигателя (800°C). Эти структуры также сопротивлялись вибрации и от выхлопа, и от шасси. Теперь у нас компоненты на каждой машине, гоняющей в F1».

«Также мы можем интегрировать высокопроизводительную изоляцию в наши материалы для выдержки падений 700°C при толщине 6 мм», — продолжает он. «Например, мы делаем компоненты, позволяющие коробке передач F1 из CF/эпоксида — которая должна оставаться ниже 180°C — находиться в 20 мм от турбонаддува на 900-950°C». Другие применения включают PyroXide теплощит, квалифицированный для ракеты-носителя Ariane 5 и детали для Ariane 6, а также PyroSic выхлопные выходы для крупных БПЛА.

Pyromeral партнерится с Composite Resources (Рок-Хилл, Южная Каролина, США) для расширения рынка в США. Компании похожи по размеру и делят долгую историю в гонках. «Наш опыт в дизайне и производстве деталей дополняет фокус Pyromeral на химии и материальной производительности», — говорит директор по бизнес-развитию Composite Resources Мелвил Клаусон.

Две компании работают над удовлетворением клиентского спроса на еще более высокую температурную стойкость и характеристизацией высокой радиочастотной (RF) прозрачности PyroXide для использования в радиолокационных куполах и антеннах. «Видим интерес насчет сверхзвуковых самолетов и очень широких оборонных применений за пределами ВВС, а также в коммерческих реактивных двигателях», — отмечает Клаусон.

«Продукты Pyromeral также смотрят в будущее», — говорит Клаусон, «потому что они не содержат нефтепродуктов — только воду как растворитель. Остальные компоненты — минералы, позволяющие перерабатывать end-of-life детали в порошок, который можно повторно использовать в других применениях».