Gli ingegneri dell’APL hanno sviluppato un nuovo approccio per la produzione di compositi carbonio-carbonio, riducendo i tempi di produzione da mesi a giorni. Questo nuovo metodo potrebbe alleviare le persistenti limitazioni di approvvigionamento di uno dei materiali ad alta temperatura più critici per l’industria aerospaziale e della difesa.
Gli ingegneri del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, nel Maryland, hanno sviluppato un nuovo approccio per la produzione di compositi carbonio-carbonio che potrebbe sostituire il processo di produzione lento e ad alta intensità di manodopera che ha limitato la disponibilità del materiale e ne ha fatto lievitare il costo.
La tecnica di sinterizzazione assistita da campo per il carbonio-carbonio, o FAST CAR2, utilizza un processo di densificazione in un’unica fase per ridurre i tempi di produzione da mesi a giorni. Sebbene ancora in fase di sviluppo iniziale, questo metodo potrebbe trasformare una delle fasi più lente nella produzione di materiali avanzati in una delle più veloci.
“È proprio questa velocità a rendere FAST CAR2 così interessante. Ha il potenziale per consentire una produzione più rapida ed efficiente di materiali avanzati per applicazioni ad alte prestazioni, che si tratti di ugelli per razzi o veicoli ipersonici” ha affermato Sal Nimer, vicedirettore del programma Science of Extreme and Multifunctional Materials dell’APL.
I compositi carbonio-carbonio sono materiali di altissima qualità, che combinano leggerezza, eccezionali prestazioni meccaniche e la capacità di rimanere resistenti e strutturalmente stabili a temperature superiori a 2.800 °C (5.000 °F). Queste qualità hanno reso il carbonio-carbonio fondamentale per l’industria aerospaziale e della difesa, dove tali compositi trovano impiego negli ugelli dei razzi, nei coni di prua dei missili e, di particolare interesse per il team APL, nella progettazione di veicoli ipersonici.
“Il carbonio-carbonio è uno dei materiali più importanti disponibili per i sistemi di protezione termica che aiutano i veicoli aerei ad alta velocità a sopravvivere al calore estremo” ha affermato William Fahy, ingegnere dei materiali presso l’APL e co-responsabile del progetto FAST CAR2.
Un metodo più rapido e scalabile
Ispirandosi ai lavori della NASA per creare materiali adattabili per gli scudi termici dei veicoli spaziali, gli scienziati dell’APL hanno sviluppato FAST CAR2, che sostituisce il processo di densificazione a cicli multipli dei metodi attuali con una procedura unica. Anziché affidarsi all’infiltrazione di gas o all’infusione ripetuta di resina, FAST CAR2 introduce un materiale contenente carbonio nell’impalcatura di fibre e utilizza una tecnologia di sinterizzazione assistita da campo (FAST), essenzialmente un metodo di pressatura rapida ad alta corrente, per consolidarlo in una forma finale densa in pochi minuti.
Utilizzando questo approccio, il team del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory ha prodotto per la prima volta un cilindro di carbonio-carbonio largo 2,5 centimetri (1 pollice) in pochi giorni, meno di un decimo del tempo richiesto dai metodi convenzionali. Avendo accesso a presse più grandi, hanno poi creato diversi cilindri da 15 centimetri (6 pollici) e successivamente uno da 20 centimetri (8 pollici), dimostrando la scalabilità della tecnica.
Gli scienziati dell’APL stanno ora collaborando con partner esterni per accedere a presse più grandi che consentiranno di scalare il processo per produrre campioni ancora più grandi e aprire la strada a ulteriori applicazioni: “La scalabilità è sempre la parte più difficile, ma vedendo quanto velocemente tutto si è concretizzato e quanto successo ha già riscosso, siamo ottimisti sulle sue potenzialità future” conclude Fahy.
Foto: Johns Hopkins APL/William Fahy and Wes Chapkin
