Menjembatani kesenjangan antara CFRP dan CMC

Bahan yang memungkinkan struktur berkinerja tinggi pada suhu servis di atas 500 °F/230 °C terbatas. Pilihannya pada dasarnya adalah logam seperti titanium dan paduan seperti Inconel, polimida (PI) atau komposit matriks keramik (CMC). Semua ini secara signifikan lebih mahal daripada komposit polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) konvensional, tetapi CMC telah mendapatkan minat karena kepadatannya yang rendah - kira-kira sepertiga dari Inconel dan setengah dari titanium. Kelemahan dari CMC adalah waktu pemrosesan yang lama yang diperlukan untuk membuat suku cadang — hanya kurang dari 30 hari, menurut artikel April 2019 di Buletin Masyarakat Keramik Amerika .

Namun, Pyromeral (Barbery, Prancis) telah mengembangkan rangkaian produk yang menjembatani kesenjangan ini, menawarkan kinerja hingga 1.500 °C dengan pemrosesan yang lebih mirip dengan CFRP, memproduksi suku cadang dalam waktu kira-kira satu minggu. “Kami telah mengembangkan kimia baru yang memungkinkan matriks kaca-keramik canggih yang diperkuat dengan serat kontinu tanpa langkah infiltrasi lelehan yang panjang,” jelas direktur penjualan dan pemasaran Pyromeral Guillaume Jandin. Perusahaan menawarkan bahan PyroKarb, PyroSic dan PyroXide yang diperkuat dengan serat karbon modulus tinggi, silikon karbida dan aluminium oksida, masing-masing, biasanya dalam bentuk kain kepar dua kali dua, menghasilkan komposit dengan fraksi volume serat (FVF) 50 %.

Faktor kinerja termal

Jandin menjelaskan bahwa ketiga bahan Pyromeral dapat bekerja di atas 1000 °C selama kurang dari 1 jam, PyroKarb menawarkan layanan jangka panjang (kurang dari 1.000 jam) pada 200 °C, dan hingga 100 jam pada 500 °C. PyroSic menawarkan layanan jangka panjang pada 500 °C dan hingga 100 jam pada 800 °C. PyroXide menawarkan layanan singkat hingga 1.500 °C, sangat mirip dengan kinerja Ox-Ox CMC, tetapi dengan biaya lebih rendah.

“Kinerja termal di bagian sebenarnya bergantung pada banyak faktor,” kata Jandin. “Ini termasuk jenis panas (radiatif, konvektif), apakah ada aliran udara untuk membantu mendinginkan beberapa area bagian dan juga sifat struktural apa yang diperlukan — misalnya, pelindung panas non-struktural atau bagian semi-struktural. Apakah bahan bekerja pada suhu tinggi terus menerus atau dalam kilatan durasi pendek juga penting, ”tambahnya. “PyroSic dan PyroKarb bekerja dengan baik dengan yang terakhir, seperti siklus berulang 1000 °C selama sepersepuluh detik, dinginkan lalu ulangi. Koefisien ekspansi termal (CTE) yang rendah, sekitar 3,10 ^-6 m/m/K adalah keuntungan dibandingkan dengan logam, yang cenderung ke arah CTE lebih besar dari 10,10 ^-6 m/m/K. Jenis logam ini menimbulkan stres untuk mengakomodasi siklus termal suhu tinggi yang cepat dan terdegradasi karena kelelahan, sedangkan material kami tidak.”

Pemrosesan seperti CFRP, aplikasi suhu tinggi

“Kami menemukan bahan matriks kami menjadi cair pada suhu kamar dan menggunakan mesin impregnasi untuk membuat prepreg,” catat Jandin. Prepreg diletakkan pada alat CF/epoxy. “Kami tidak bekerja dengan peralatan logam karena matriks kami bersifat basa dan mungkin bereaksi,” tambahnya. “Langkah selanjutnya adalah pemadatan autoklaf pada 100 ° C dan 6 bar selama kurang lebih 12 jam.” Bagian dibongkar dan kemudian dilanjutkan, berdiri bebas, melalui proses termal dua tahap pada 500-1.000°C yang menyelesaikan keramikisasi matriks, menghasilkan komponen struktural.

Pyromeral menemukan kesuksesan awal di mobil balap Formula 1. “Material kami digunakan dalam pelindung panas di sekitar mesin dan juga di sekitar rem, yang mencapai suhu 500-700 °C,” kata Jandin. “Selama musim F1 2012-13, setiap mobil kecuali Sauber menggunakan bahan kami untuk suku cadang untuk mengarahkan gas buang mesin (800 °C). Struktur ini juga menahan getaran dari knalpot dan sasis. Kami sekarang memiliki komponen di setiap mobil balap di F1.”

“Selain itu, kami dapat mengintegrasikan insulasi berkinerja tinggi ke dalam material kami untuk menahan penurunan suhu 700 °C dengan ketebalan 6 milimeter,” lanjutnya. “Misalnya, kami membuat komponen yang memungkinkan girboks mobil balap F1 yang terbuat dari CF/epoksi — yang harus tetap di bawah 180°C — berada dalam jarak 20 milimeter dari turbocharger pada suhu 900-950 °C.” Aplikasi lain termasuk pelindung panas PyroXide yang memenuhi syarat untuk Ariane 5 meluncurkan kendaraan dan suku cadang untuk Ariane 6 , serta pintu keluar knalpot PyroSic untuk kendaraan udara tak berawak (UAV) besar.

Pyromeral telah bermitra dengan Composite Resources (Rock Hill, S.C., A.S.) untuk memperluas pasarnya di A.S. (lihat “Membangun ceruk manufaktur komposit”). Perusahaan-perusahaan tersebut memiliki ukuran yang sama dan berbagi sejarah panjang dalam balap. “Pengalaman kami dalam desain dan manufaktur suku cadang melengkapi fokus Pyromeral pada kinerja bahan kimia dan material,” kata direktur pengembangan bisnis Sumber Daya Komposit Melvil Clauson.

Kedua perusahaan bekerja untuk memenuhi permintaan pelanggan untuk ketahanan suhu yang lebih tinggi dan untuk mengkarakterisasi transparansi frekuensi radio (RF) tinggi PyroXide untuk digunakan dalam radome dan antena. “Kami melihat minat terkait pesawat supersonik dan aplikasi pertahanan berbasis luas di luar Angkatan Udara, serta di mesin jet komersial,” kata Clauson.

“Produk piromeral juga berwawasan masa depan,” kata Clauson, “karena tidak mengandung zat berbasis minyak bumi — hanya air sebagai pelarut. Konstituen lainnya adalah mineral, yang memungkinkan kami untuk memproses bagian yang habis masa pakainya menjadi bubuk yang dapat digunakan kembali dalam aplikasi lain.”