Инновационная методика FAST CAR2, созданная в США, способна резко ускорить выпуск сверхжаростойких материалов, необходимых для гиперзвуковых устройств.
Ирина Петрова
Демонстрируя масштабируемость метода FAST CAR2 для получения более крупных и востребованных на рынке образцов, команда в начале этого года изготовила 6-дюймовые (на фото слева) и 8-дюймовые углеродно-углеродные образцы. В настоящее время ведутся работы по проверке метода для еще более крупных масштабов. Фото: Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Уильям Фахи и Уэс Чапкин
Специалисты из Лаборатории прикладной физики при Университете Джонса Хопкинса обнаружили метод, позволяющий существенно ускорить получение углерод-углеродных композитов. Как поясняет исследовательский коллектив, данный подход может заменить существующую медленную и трудоемкую технологию, что в конечном счете приведет к удешевлению выпуска продукции.
«Именно скорость делает FAST CAR2 настолько перспективным», — отметил Сэл Нимер, заместитель руководителя программы APL «Наука об экстремальных и многофункциональных материалах». «Это может обеспечить более оперативное и эффективное создание современных материалов для высокоэффективных систем, таких как сопла ракет или гиперзвуковые аппараты», — подчеркнул он.
Углерод-углерод, если говорить простыми словами, представляет собой углеродное волокно, помещенное в плотную углеродную матрицу. Можно представить пластик, усиленный углеродными волокнами, только здесь вместо эпоксидной смолы или полимера волокна окружены углеродом.
В итоге получается материал, обладающий одновременно легкостью, прочностью и поразительной стойкостью к высоким температурам. Именно поэтому он применяется в ракетных соплах, системах входа в атмосферу, носовых обтекателях ракет, аэродинамических тормозах и гиперзвуковой теплозащите.
Упрощение процесса изготовления углерод-углеродных композитов
«Углерод-углерод является одним из ключевых материалов для теплозащитных систем, которые позволяют высокоскоростным аппаратам переносить экстремальные температуры», — заявил Уильям Фахи, инженер-материаловед из Лаборатории прикладной физики, один из руководителей проекта FAST CAR2.
«Он сыграл критическую роль в теплозащитном экране солнечного зонда НАСА «Паркер» — аппарата, который приближается к Солнцу ближе любого другого объекта, созданного человеком. Без него не обойтись», — добавил он. Однако в данный момент его производство представляет собой крайне медленный процесс.
Традиционно начинают с пористой структуры из углеродного волокна. Затем требуется заполнить все мельчайшие промежутки между волокнами дополнительным углеродом.
Существуют два основных способа для этого: многократно пропускать через материал газ, насыщенный углеродом, осаждая углерод внутри, либо пропитывать материал смолой и нагревать ее, пока почти все, кроме углерода, не выгорит или не подвергнется пиролизу.
Проблема заключается в том, что за один проход материал не пропитывается полностью. В то же время FAST CAR2 делает этот процесс значительно проще и быстрее. Фактически материалы, на создание которых уходят месяцы, могут быть изготовлены всего за несколько дней.
Вместо медленного наращивания или осаждения углеродной матрицы внутри волокнистой структуры, они размещают углеродсодержащий материал непосредственно в заготовке из волокон, а затем сжимают и нагревают всю конструкцию с помощью метода, известного как спекание с наложением электрического поля.
При этом важно понимать, что скорость процесса — это не единственное преимущество FAST CAR2. Традиционные методы, основанные на многократных циклах пропитки и пиролиза, требуют больших энергетических затрат и значительных объемов сырья, значительная часть которого уходит в отходы при выгорании связующего.
Новый подход минимизирует эти потери, так как углеродсодержащий компонент вводится непосредственно в волокнистый каркас и удерживается там механическим сжатием до момента формирования матрицы. Это делает технологию не только быстрой, но и более экономичной в долгосрочной перспективе, что особенно актуально для коммерческого применения в аэрокосмической отрасли, где стоимость материалов часто является сдерживающим фактором для внедрения новых решений.
Взгляд в будущее
Электрический ток обеспечивает очень быстрый нагрев, тогда как пресс одновременно сжимает все детали. Сам процесс уплотнения происходит за считаные минуты, хотя подготовка детали и весь производственный цикл все равно занимает несколько дней.
«Мы стремимся к чему-то революционному — изменить сам механизм, чтобы получать результат на несколько порядков быстрее», — сказал материаловед Уэс Чапкин. «Когда мы начинали, у нас была теория, но мы даже не знали, будет ли материал держаться вместе», — отметил он. «Мы удивлялись на каждом этапе», — добавил Чапкин.
Однако путь от лабораторного образца до серийного производства редко бывает прямым. Помимо очевидной проблемы масштабирования прессового оборудования, исследователям предстоит решить вопрос о воспроизводимости результатов на партиях большего размера.
Спекание с наложением электрического поля чувствительно к однородности распределения тока в объеме заготовки: при увеличении габаритов детали возникают градиенты температуры, которые могут приводить к локальным дефектам структуры.
Поэтому ближайшие этапы работы будут посвящены не только подбору параметров для крупных прессов, но и созданию численных моделей, позволяющих прогнозировать поведение материала в зависимости от формы и толщины изделия. Это требует плотного сотрудничества между материаловедами, специалистами по вычислительной механике и инженерами-технологами.
В перспективе команда будет сотрудничать с внешними партнерами, чтобы получить доступ к более крупным прессам, которые позволят масштабировать процесс до производства еще больших образцов и откроют возможности для новых сфер применения.
«Масштабирование — это всегда самая сложная часть, — признал Фахи, — но, видя, как быстро все это было реализовано и насколько успешным оказался проект, мы с оптимизмом смотрим в будущее», — заключил он.
Дальнейшее развитие направления, вероятно, потребует адаптации метода для работы с различными типами углеродных волокон и архитектурами плетения. Разные производители предлагают каркасы с разной плотностью укладки и ориентацией волокон, и каждый вариант будет по-своему реагировать на сжатие и электрический нагрев.
Команда уже начала систематический анализ этих параметров, чтобы создать библиотеку технологических режимов. По словам исследователей, это позволит в будущем подбирать оптимальную конфигурацию процесса под конкретное изделие, будь то небольшое сопло маневрового двигателя или крупный теплозащитный экран для возвращаемой ступени. Такой подход превращает FAST CAR2 из лабораторной новинки в гибкий инструмент проектирования.
На текущий момент исследователи подчеркивают, что полученные результаты являются лишь началом большого пути. Успешная демонстрация ускоренного получения углерод-углеродного композита уже привлекла внимание представителей оборонных ведомств и частных аэрокосмических компаний, которые заинтересованы в сокращении производственных циклов для своих программ.
Ожидается, что в течение ближайших двух-трех лет будут проведены испытания на образцах, сопоставимых по размеру с реальными узлами ракетной техники.
Если эти испытания подтвердят стабильность свойств материала, технология может стать стандартом для производства теплозащиты нового поколения, что в конечном счете ускорит и удешевит разработку гиперзвуковых систем по всему миру.