ABD’den Çığır Açan Gelişme: Hipersonik Kalkanlar ve Roket Parçaları Üretimi Hızlandırılabilir

John Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı (APL) araştırmacıları, karbon-karbon kompozitlerin üretilme yöntemini önemli ölçüde hızlandıran bir çözüm buldu. Araştırma ekibinin açıklamasına göre, bu yeni yaklaşım mevcut yavaş ve zahmetli üretim sürecinin yerini alarak maliyetleri düşürebilir.

“FAST CAR2’nin cazip olmasının nedeni hızıdır,” dedi APL’nin Aşırı ve Çok Amaçlı Malzemeler programının yardımcı yöneticisi Sal Nimer. “Bu, yüksek performanslı uygulamalar için gelişmiş malzemelerin daha hızlı ve verimli bir şekilde üretilmesini sağlayabilir; ister roket nozulları olsun, ister hipersonik araçlar,” diye ekledi.

Karbon–karbon, bilmeyenler için, karbon fiberin katı bir karbon matrisi içine yerleştirilmesiyle elde edilen bir malzemedir. Karbon fiber takviyeli plastiği düşünün; ancak burada epoksi/rezin yerine lifler daha fazla karbonla çevrilidir.

Bu sayede hem çok hafif, mekanik olarak güçlü ve aynı zamanda şaşırtıcı derecede ısıya dayanıklı bir malzeme elde edilir. Bu nedenle roket nozülleri, yeniden giriş sistemleri, füze burun konileri, uçak frenleri ve hipersonik termal koruma gibi alanlarda kullanılır.

Karbon-karbon kompozitlerin üretilmesini kolaylaştırmak

APL malzeme mühendisi ve FAST CAR2 projesinin ortak liderlerinden William Fahy, “Karbon-karbon, yüksek hızlı uçuş araçlarının aşırı ısıya dayanmasına yardımcı olan termal koruma sistemleri için en önemli malzemelerden biridir. NASA’nın Parker Solar Probe’u için üretilen ısı kalkanında kullanıldı; vazgeçilmezdir,” dedi.

Ancak şu anda karbon-karbon üretimi çok yavaş bir süreçtir.

Geleneksel olarak, gözenekli bir karbon fiber yapısı kullanılır. Daha sonra, lifler arasındaki tüm küçük boşluklar ek karbonla doldurulmalıdır.

Bunu yapmak için iki ana yöntem vardır: karbon açısından zengin gazı tekrar tekrar malzemenin içinden geçirerek karbonu depolamak veya malzemeyi reçine ile ıslatıp neredeyse her şeyin yandığı (piroliz) bir işlemle karbonu elde etmek.

Ancak tek bir işlemde her yer dolmaz. FAST CAR2 ise bu süreci çok daha basit ve hızlı hale getirir. Aslında, üretilmesi aylarca süren benzer malzemeler sadece birkaç gün içinde üretilebilir.

Geleneksel yöntemlerdeki gibi karbon matrisini yavaşça lif yapısının içine yerleştirmek yerine, karbon içeren bir malzeme doğrudan lif ön şekline yerleştirilir ve ardından tüm malzeme çok hızlı bir şekilde ısıtılır ve sıkıştırılır. Bu işlem “field-assisted sintering” olarak adlandırılır.

Gelecek için planlar

Elektrik akımı, çok hızlı bir ısınma sağlar; aynı zamanda pres de her şeyi eş zamanlı olarak sıkıştırır. Yoğunlaşmanın gerçekleşmesi birkaç dakika sürerken, parçanın hazırlanması ve tüm üretim sürecinin tamamlanması hala birkaç gün alır.

“Amacımız devrim niteliğinde bir değişiklik yaparak, süreci tamamen değiştirerek çok daha hızlı sonuçlar elde etmektir,” dedi Chapkin. “Başlangıçta teori vardı, ancak malzemenin bile bir arada kalıp kalmayacağını bilmiyorduk,” diye ekledi. “Her adımda şaşırtıldık,” dedi.

Gelecekte ekip, daha büyük örneklerin üretimine olanak tanıyan ve daha geniş uygulamalar için kapıları açacak daha büyük preslerle çalışmak üzere dış ortaklarla işbirliği yapmaktadır.

“Ölçeklendirme her zaman zor bir iştir,” diye kabul etti Fahy. “Ancak bu sürecin ne kadar hızlı ilerlediğini ve şimdiye kadar ne kadar başarılı olduğunu gördükten sonra, bunun nereye gidebileceği konusunda iyimseriz,” diye ekledi.