Reduzindo a lacuna entre CFRP e CMC

Os materiais que permitem estruturas de alto desempenho em temperaturas de serviço acima de 500 ° F / 230 ° C são limitados. As opções são basicamente metais como titânio e ligas como Inconel, poliimidas (PI) ou compósitos de matriz cerâmica (CMC). Todos esses são significativamente mais caros do que os compostos convencionais de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP), mas o CMC vem ganhando interesse devido à sua baixa densidade - cerca de um terço do Inconel e metade do titânio. A desvantagem do CMC são os longos tempos de processamento necessários para fazer as peças - quase 30 dias, de acordo com um artigo de abril de 2019 no American Ceramic Society Bulletin .

No entanto, a Pyromeral (Barbery, França) desenvolveu uma família de produtos que preenche essa lacuna, oferecendo desempenho de até 1.500 ° C com processamento mais parecido com CFRP, produzindo peças em cerca de uma semana. “Desenvolvemos uma química inovadora que permite matrizes vitrocerâmicas avançadas reforçadas com fibras contínuas sem a longa etapa de infiltração de fusão”, explica o diretor de vendas e marketing da Pyromeral, Guillaume Jandin. A empresa oferece materiais PyroKarb, PyroSic e PyroXide reforçados com fibras de alto módulo de carbono, carboneto de silício e óxido de alumínio, respectivamente, normalmente na forma de tecidos de sarja dois por dois, resultando em compósitos com uma fração de volume de fibra (FVF) de 50 %

Fatores de desempenho térmico

Jandin explica que enquanto todos os três materiais piroméricos podem funcionar acima de 1000 ° C por menos de 1 hora, o PyroKarb oferece serviço de longo prazo (menos de 1.000 horas) a 200 ° C e até 100 horas a 500 ° C. O PyroSic oferece serviço de longo prazo a 500 ° C e até 100 horas a 800 ° C. O PyroXide oferece serviço curto de até 1.500 ° C, muito próximo ao desempenho do Ox-Ox CMC, mas a um custo menor.

“O desempenho térmico em peças reais depende de muitos fatores”, diz Jandin. “Isso inclui o tipo de calor (radiativo, convectivo), se há fluxo de ar para ajudar a resfriar algumas áreas da peça e também quais propriedades estruturais são necessárias - por exemplo, um escudo térmico não estrutural ou peça semi-estrutural. O fato de os materiais trabalharem em alta temperatura contínua ou em flashes de curta duração também é crítico ”, acrescenta. “O PyroSic e o PyroKarb funcionam bem com o último, como ciclos repetidos de 1000 ° C por um décimo de segundo, esfrie e repita. Seu baixo coeficiente de expansão térmica (CTE) de aproximadamente 3,10 ^-6 µm / m / K é um benefício em comparação aos metais, que tendem a um CTE maior que 10,10 ^-6 µm / m / K. Esses tipos de metais incorrem em estresse para acomodar ciclos térmicos rápidos de alta temperatura e se degradam devido à fadiga, enquanto nossos materiais não. ”

Processamento semelhante ao CFRP, aplicativos de alta temperatura

“Nós inventamos nossos materiais de matriz para serem líquidos em temperatura ambiente e usamos máquinas de impregnação para criar pré-impregnado”, observa Jandin. Os pré-impregnados são colocados em ferramentas de CF / epóxi. “Não trabalhamos com ferramentas de metal porque nossa matriz é alcalina e pode reagir”, acrescenta. “A próxima etapa é a densificação em autoclave a 100 ° C e 6 bar por aproximadamente 12 horas.” As peças são desmoldadas e a seguir prosseguem, de forma independente, por um processo térmico de duas etapas a 500-1.000 ° C que completa a ceramização da matriz, resultando nos componentes estruturais.

A Pyromeral obteve sucesso precoce nos carros de corrida de Fórmula 1. “Nossos materiais são usados ​​em proteções térmicas em torno dos motores e também em torno dos freios, que atingem temperaturas de 500-700 ° C”, diz Jandin. “Durante a temporada 2012-13 da F1, todos os carros, exceto Sauber, usaram nossos materiais para as peças para direcionar os gases de escape do motor (800 ° C). Essas estruturas também resistiram à vibração do escapamento e do chassi. Agora temos componentes em todos os carros de corrida da F1. ”

“Além disso, podemos integrar isolamento de alto desempenho em nossos materiais para resistir a quedas de 700 ° C com uma espessura de 6 milímetros”, continua ele. “Por exemplo, fazemos componentes que permitem que uma caixa de câmbio de carro de corrida F1 feita de CF / epóxi - que deve ficar abaixo de 180 ° C - fique a 20 milímetros do turbocompressor a 900-950 ° C.” Outras aplicações incluem um escudo térmico PyroXide qualificado para o Ariane 5 veículo de lançamento e peças para o Ariane 6 , bem como saídas de exaustão PyroSic para grandes veículos aéreos não tripulados (UAVs).

A Pyromeral fez parceria com a Composite Resources (Rock Hill, S.C., EUA) para expandir seu mercado nos EUA (consulte “A construção de um nicho de fabricação de compósitos”). As empresas são semelhantes em tamanho e compartilham uma longa história em corridas. “Nossa experiência em projeto e fabricação de peças complementa o foco da Pyromeral em química e desempenho de materiais”, afirma Melvil Clauson, diretor de desenvolvimento de negócios da Composite Resources.

As duas empresas estão trabalhando para atender às demandas dos clientes por resistência a temperaturas ainda mais altas e para caracterizar a transparência de alta frequência de rádio (RF) do PyroXide para uso em radomes e antenas. “Estamos vendo interesse em aeronaves supersônicas e aplicações de defesa de base muito ampla além da Força Aérea, bem como em motores a jato comerciais”, observa Clauson.

“Os produtos piroméricos também estão voltados para o futuro”, diz Clauson, “porque não contêm substâncias à base de petróleo - apenas água como solvente. Os outros constituintes são minerais, o que nos permite processar peças em fim de vida em pó que pode ser reutilizado em outras aplicações ”.