Solusi Suhu Tinggi: Mengintegrasikan CFRP dengan Komposit Matriks Keramik
Bahan yang memungkinkan struktur kinerti tinggi pada suhu layanan di atas 500°F/230°C terbatas. Opsi dasarnya adalah logam seperti titanium dan aloi seperti Inconel, polimida (PI) atau komposit matriks keramik (CMC). Semuanya jauh lebih mahal daripada komposit polimer diperkuat serat karbon (CFRP) konvensional, tetapi CMC telah gaining minat karena densitas rendahnya — sekitar satu per tiga dari Inconel dan satu per dua dari titanium. Kelemahan CMC adalah waktu pemrosesan yang lama yang diperlukan untuk membuat bagian — hampir 30 hari, menurut artikel April 2019 dalam American Ceramic Society Bulletin.
Namun, Pyromeral (Barbery, Prancis) telah mengembangkan keluarga produk yang menghubungkan kesenjangan ini, menawarkan performa hingga 1.500°C dengan pemrosesan yang lebih mirip CFRP, menghasilkan bagian dalam sekitar satu minggu. “Kami telah mengembangkan kimia baru yang memungkinkan matriks kaca-keramik canggih diperkuat dengan serat berkelanjutan tanpa langkah melt infiltration yang panjang,” menjelaskan penjualan dan marketing director Pyromeral Guillaume Jandin. Perusahaan menawarkan bahan PyroKarb, PyroSic dan PyroXide yang diperkuat masing-masing dengan serat karbon modulus tinggi, karbida silikon dan oksida aluminium, biasanya dalam bentuk kain twill dua-dua, menghasilkan komposit dengan volume fraksi serat (FVF) 50%.
Faktor performa termal
Jandin menjelaskan bahwa meski ketiga bahan Pyromeral dapat beroperasi 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 dekat dengan performa CMC Ox-Ox, tetapi dengan biaya yang lebih rendah.
“Performa termal pada bagian aktual bergantung pada banyak faktor,” kata Jandin. “Ini termasuk jenis panas (radiasi, konveksi), apakah ada aliran udara untuk membantu menyejukkan beberapa area bagian dan juga properti struktural apa yang diperlukan — misalnya, heat shield non-struktural atau bagian semi-struktural. Apakah bahan bekerja pada suhu tinggi berkelanjutan atau dalam flash durasi singkat juga krusial,” katanya. “PyroSic dan PyroKarb bekerja baik dengan yang terakhir, seperti siklus berulang 1000°C selama satu sepersekon detik, dinginkan dan kemudian ulangi. Koefisien ekspansi termal (CTE) rendah mereka sekitar 3.10-6 µm/m/K adalah manfaat dibandingkan logam, yang cenderung memiliki CTE lebih besar dari 10.10-6 µm/m/K. Jenis logam ini mengalami stres untuk menyesuaikan siklus termal cepat dan suhu tinggi dan degradasi karena fatigue, sementara bahan kami tidak.”
Pemrosesan mirip CFRP, aplikasi suhu tinggi
“Kami menemukan matriks kami untuk cair pada suhu kamar dan menggunakan mesin impregnasi untuk membuat prepreg,” catat Jandin. Prepreg diletakkan pada alat CF/epoksi. “Kami tidak bekerja dengan alat logam karena matriks kami alkaline dan mungkin bereaksi,” katanya. “Langkah berikutnya adalah densifikasi autoklaf pada 100°C dan 6 bar selama sekitar 12 jam.” Bagian dicetak dan kemudian melanjutkan, berdiri bebas, melalui proses termal dua tahap pada 500-1.000°C yang menyelesaikan ceramisasi matriks, menghasilkan komponen struktural.
Pyromeral menemukan sukses awal di mobil balap Formula 1. “Bahan kami digunakan di heat shield 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 bagian yang mengarahkan gas buang mesin (800°C). Struktur ini juga tahan getaran dari buang dan chassis. Kami sekarang memiliki komponen di setiap mobil yang balap di F1.”
“Selain itu, kami dapat mengintegrasi isolasi kinerti tinggi ke dalam bahan kami untuk menahan penurunan 700°C dengan ketebalan 6 milimeter,” lanjutnya. “Sebagai contoh, kami membuat komponen yang memungkinkan gearbox mobil balap F1 yang terbuat dari CF/epoksi — yang harus di bawah 180°C — untuk duduk dalam 20 milimeter dari turbocharger pada 900-950°C.” Aplikasi lain termasuk heat shield PyroXide yang divalidasi untuk kendaraan peluncur Ariane 5 dan bagian untuk Ariane 6, serta keluar buang PyroSic untuk pesawat tak berawak (UAV) besar.
Pyromeral telah bekerjasama dengan Composite Resources (Rock Hill, Carolina Selatan, AS) untuk memperluas pasar di AS (lihat “The building of a composites manufacturing niche”). Perusahaan seukuran dan berbagi sejarah panjang dalam balapan. “Pengalaman kami dalam desain dan manufaktur bagian melengkapi fokus Pyromeral pada kimia dan performa bahan,” kata pengembangan bisnis director Composite Resources Melvil Clauson.
Kedua perusahaan sedang bekerja untuk memenuhi permintaan pelanggan terhadap resistensi suhu yang lebih tinggi dan untuk mengkarakterisasi transparansi frekuensi radio (RF) PyroXide untuk digunakan pada radome dan antena. “Kami melihat minat terkait pesawat supersonik dan aplikasi pertahanan yang sangat luas di luar Angkatan Udara, serta di mesin jet komersial,” catat Clauson.
“Produk Pyromeral juga menatap ke depan,” kata Clauson, “karena tidak mengandung bahan berbasis petroleum — hanya air sebagai pelarut. Konstituen lainnya adalah mineral, yang memungkinkan kami memproses bagian usang menjadi bubuk yang dapat digunakan kembali dalam aplikasi lain.”
