Dzięki dzisiejszej technologii możemy rozpędzić pojazd do absurdalnej prędkości, wysłać sondę niemal pod samo Słońce i projektować coraz bardziej ekstremalne konstrukcje, ale na końcu zawsze pojawia się ten sam problem – z czego właściwie je zbudować, żeby nie rozpadły się pod wpływem temperatury? Naukowcy z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory wzięli właśnie na warsztat jeden z najbardziej wyjątkowych materiałów tej branży i zamiast tylko go ulepszać, postanowili rozprawić się z czymś zupełnie innym – czasem jego produkcji.
Węgiel otoczony węglem chroni przed piekłem
Mowa o kompozytach typu carbon-carbon, czyli w uproszczeniu włóknach węglowych zatopionych nie w polimerowej żywicy znanej z klasycznych laminatów, lecz w kolejnej strukturze wykonanej z węgla. Rezultatem jest materiał bardzo lekki, wytrzymały mechanicznie i zdolny zachowywać swoje właściwości w temperaturach przekraczających około 2800°C.
Czytaj też: Wydrukowali materiał, który zachowuje się jak fragment żywego ciała
Do tej pory ten materiał trafiał do dysz rakietowych, osłon termicznych, nosów pocisków oraz elementów pojazdów kosmicznych. Konkretny przykład? W wahadłowcach NASA wzmacniany kompozyt węglowo-węglowy chronił krawędzie natarcia skrzydeł i nos orbitera, czyli miejsca wystawione podczas powrotu przez atmosferę na temperatury sięgające około 1650°C. Co ważne, sam materiał wymagał również ochrony przed utlenianiem, dlatego stosowano w nim m.in. powłoki na bazie węglika krzemu.
Jeszcze bardziej przemawia do wyobraźni Parker Solar Probe. Jej osłona termiczna wykorzystuje panele z kompozytu tego typu, które otaczają rdzeń z pianki węglowej. Od strony Słońca temperatura może sięgać około 1370°C, podczas gdy instrumenty po drugiej stronie pozostają w temperaturze około 29°C.
Pisałem już o podobnej pogoni za materiałami przyszłości przy kompozycie GX-F. W lotnictwie bowiem walka o lepszy materiał bardzo często oznacza bezpośrednio lżejszą konstrukcję, wyższą temperaturę pracy albo większą prędkość. Tym razem jednak przełom może leżeć nie w samych parametrach, lecz w fabryce.
Robili to miesiącami. FAST CAR2 chce załatwić sprawę w kilka dni
Klasyczna produkcja kompozyt węglowo-węglowy jest zwyczajnie koszmarnie powolna. Sama struktura z włókien pozostawia mnóstwo mikroskopijnych pustych przestrzeni, które trzeba wypełnić dodatkowym węglem. Można wtłaczać do materiału bogaty w węgiel gaz albo impregnować go żywicą, a następnie poddawać pirolizie, pozostawiając możliwie dużo węgla. Problem? Jeden cykl nie wystarcza. Dlatego impregnację, obróbkę cieplną i zagęszczanie trzeba powtarzać. I powtarzać. I powtarzać.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Naukowcy pokazali tymczasem porównanie, w którym próbka wykonana konwencjonalnie powstawała przez 36 tygodni. Nowa technologia Field-Assisted Sintering Technique for Carbon-Carbon, skracana do FAST CAR2, próbuje wyrzucić tę wielomiesięczną zabawę do kosza. Materiał zawierający węgiel trafia bezpośrednio do włóknistej preformy, a następnie całość zostaje jednocześnie poddana bardzo szybkiemu nagrzewaniu prądem elektrycznym oraz wysokiemu naciskowi. Kluczowe zagęszczenie trwa dzięki temu minuty, a cały proces produkcji próbki można zamknąć w kilku dniach.
Właśnie tutaj robi się ciekawie, bo nie mówimy wyłącznie o sztuczce polegającej na robieniu czegoś szybciej kosztem jakości. Analiza mikrostruktury wykazała w próbkach FAST CAR2 pory mierzone w mikrometrach, podczas gdy w klasycznie produkowanym kompozycie mogą one dochodzić nawet do około 1 mm. Materiał przeszedł też test wykorzystujący naddźwiękowy strumień gorącego gazu, osiągając rezultaty porównywalne z produktami przemysłowymi.
Tu może zaczynać się prawdziwa rewolucja, ale ciągle musimy czekać
Najbardziej podoba mi się w FAST CAR2 to, że naukowcy nie próbują rozwiązać problemu poprzez zwykłe skalowanie obecnej technologii. Przemysł może przecież postawić więcej pieców i prowadzić kolejne wielotygodniowe procesy równolegle. Produkcja wzrośnie, ale sam problem pozostanie. Tutaj zmienia się mechanizm, co ma ogromne znaczenie dla sprzętów hipersonicznych, w których coraz bardziej ekstremalne konstrukcje wymagają materiałów zdolnych pracować tam, gdzie klasyczne stopy przestają wystarczać. Jeśli element, na który wcześniej trzeba było czekać miesiącami, można otrzymać w kilka dni, łatwiej prototypować, prowadzić testy, poprawiać konstrukcję i ostatecznie zwiększać produkcję.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Nie ogłaszałbym jednak jeszcze rewolucji przemysłowej. Pierwsze próbki miały około 2,5 cm średnicy, później powstały elementy około 15 i 20 cm, a zespół dopiero szuka dostępu do większych pras. Sami naukowcy przyznają, że skalowanie pozostaje największym wyzwaniem i to właśnie będzie dla mnie prawdziwym testem FAST CAR2. Zrobienie małego walca w laboratorium to zupełnie inna liga niż seryjne wytwarzanie dużych, skomplikowanych geometrycznie elementów osłon termicznych, dysz rakietowych czy konstrukcji dla pojazdów hipersonicznych.
Źródła: Tech Xplore, NASA
