Karbon kompozit üretimini aylardan günlere indiren devrimsel yöntem

Johns Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı mühendisleri, havacılık, uzay ve savunma sanayisinde kullanılan karbon-karbon kompozitlerin üretim süresini önemli ölçüde kısaltan yeni bir yöntem geliştirdi. 'FAST CAR2' adı verilen teknik, aylar sürebilen geleneksel yoğunlaştırma işlemlerini tek aşamalı alan destekli sinterleme sürecine dönüştürüyor. Ekip, yöntemin ilk kurulumundan itibaren bir haftadan kısa sürede sağlam bir karbon-karbon blok üretebildiğini bildirdi.

KRİTİK MALZEME

Karbon-karbon kompozitler, 2 bin 800 santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklarda yapısal bütünlüğünü koruyabilmesi ve düşük ağırlığı yüksek mekanik dayanımla birleştirmesi nedeniyle hipersonik füze burun konileri, roket nozulları ve uzay araçları gibi kritik sistemlerde kullanılıyor. NASA’nın Parker Güneş Sondası da bu malzeme sınıfından yararlanıyor. Ancak geleneksel üretimde karbon liflerinin grafitik matrisle yoğunlaştırılması için malzemenin karbon gazına maruz bırakılması veya reçineyle emdirilip yüksek sıcaklıkta işlenmesi gerekiyor. İstenen yoğunluğa ulaşmak için bu işlemlerin defalarca tekrarlanması, üretim süresini aylar seviyesine çıkarıyor.

TEK ADIM

Johns Hopkins APL Malzeme Mühendisliği ekibinden William Fahy, Wes Chapkin ve Sal Nimer liderliğinde geliştirilen yöntemde karbon içeren özel bir malzeme doğrudan fiber iskeletin içine yerleştiriliyor. Ardından yüksek elektrik akımı ile basınç aynı anda uygulanarak Alan Destekli Sinterleme Teknolojisi kullanılıyor. Bu işlem, malzemenin dakikalar içinde nihai yoğunluğa ulaşmasını sağlıyor. Böylece geleneksel yöntemde defalarca tekrarlanan gaz infiltrasyonu ve reçine infüzyonu süreçleri tek bir presleme aşamasına indiriliyor.

YOĞUN İÇ YAPI

Araştırmacılar ilk laboratuvar denemelerinde birkaç gün içinde 2,5 santimetre genişliğinde silindirler üretti. Daha büyük preslerle 15 ve 20 santimetrelik blokların imal edilmesi de yöntemin ölçeklenebilirliğini gösterdi. Mikro yapısal incelemelerde FAST CAR2 ile üretilen numunelerin daha homojen ve daha yoğun bir iç yapıya sahip olduğu görüldü. Geleneksel karbon-karbon kompozitlerde 1 milimetreye kadar ulaşabilen gözenek ve çatlaklara rastlanabilirken, yeni yöntemde bu boşlukların mikrometre seviyesinde kaldığı belirtildi.

YÜKSEK ISI TESTİ

FAST CAR2 yöntemiyle üretilen parçalar, süpersonik sıcak gaz jetlerinin kullanıldığı yüksek hızlı oksijen-yakıt testlerine de tabi tutuldu. Numuneler, üretim süresinin çok daha kısa olmasına rağmen geleneksel karbon-karbon kompozitlerle karşılaştırılabilir dayanıklılık gösterdi. Daha küçük gözenek yapısının termal şok direncine katkı sağladığı belirtilirken, elde edilen sonuçlar yöntemin yüksek sıcaklık gerektiren havacılık ve savunma uygulamalarında kullanılabileceğine işaret ediyor.

ÖLÇEKLENME HEDEFİ

Araştırma ekibi, teknolojiyi daha büyük ticari parçaların üretimine uyarlamak için daha yüksek kapasiteli pres sistemlerine erişim sağlamayı amaçlıyor. Bu kapsamda dış sanayi ortaklarıyla iş birliği görüşmeleri sürdürülüyor. FAST CAR2’nin daha büyük boyutlarda doğrulanması halinde, karbon-karbon kompozitlerin üretim süresinin kısalması hipersonik araçlar, roket sistemleri ve diğer yüksek sıcaklık uygulamalarındaki tedarik süreçlerini hızlandırabilir.