Nad innowacyjną technologią wytwarzania kompozytów węglowych pracują naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Będą z niej mogły korzystać m.in. firmy z branży kosmicznej i zbrojeniowej.
Dysza to jeden z kluczowych elementów każdego silnika rakietowego. Jej charakterystyczny profil (tzw. stożek de Lavala) odpowiada za nadawanie gazom powstającym w wyniku spalania paliwa naddźwiękowej prędkości wyjściowej. Ich przepływ powinien pozostawać niezakłócony, aby parametry lotu utrzymywały się na stabilnym poziomie. Osiągnięcie tego stanu nie jest łatwe, ponieważ gorący strumień gazów oddziałuje mechanicznie ze ściankami dyszy, powodując wymywanie cząstek tworzywa, z którego są wykonane. Najbardziej wrażliwe na erozję jest przewężenie dyszy, zwane gardzielą. Już każda zmiana jej przekroju poprzecznego może mieć wpływ na uzyskiwane przez rakietę osiągi. Dlatego wciąż poszukuje się nowych, mniej podatnych na erozję materiałów.
Bardzo odporne kompozyty
Jednym z tworzyw, na które zwracają obecnie uwagę naukowcy i inżynierowie, jest CFRC (ang. Carbon Fiber Reincorced Carbon). Cechuje je nie tylko wysoka odporność na korozję wysokotemperaturową, ale również mniejsza masa niż przypadku metali ogniotrwałych używanych do wytwarzania dysz rakiet kosmicznych czy grafitów pirolitycznych stosowanych w niektórych bojowych rakietach taktycznych. Ich zastąpienie lżejszymi materiałami pozwoliłoby więc zmniejszyć również ilość energii niezbędnej do ich lotów, a co za tym idzie, ograniczyć ilość zużywanego przez nie paliwa.
CFRC to kompozyty złożone z włókien węglowych, które stanowią fazę zbrojącą, oraz węglowej osnowy. Stąd też ich alternatywa nazwa, czyli kompozyty węgiel-węgiel. Wszystkie komponenty zespala się, poddając je procesowi obróbki termicznej. Stanowią one szeroką klasę materiałów, których właściwości warunkuje wybór prekursora osnowy i architektury ułożenia włókien. Pierwszy ma wpływa na mikrostrukturę materiału, drugi natomiast pozwala nadać mu anizotropowe właściwości. W zależności od liczby kierunków ułożenia włókien, mówi się o materiałach 2D, 3D itd.
Technologia dla wybranych
Historia prac na rozwojem kompozytów węgiel-węgiel sięga lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku i amerykańskiego programu Apollo, który wyniósł ludzi na Księżyc. W późniejszych latach wykonywano z nich np. osłony dziobów oraz skrzydeł promów kosmicznych. Równolegle swoje projekty związane z aplikacją materiałów CFRC rozwijało wojsko. Podobnie jak wiele innych technologii pierwotnie zastrzeżonych dla programów kosmicznych i militarnych, kompozyty węgiel-węgiel trafiły również na rynek cywilny. Znalazły zastosowanie m.in. w produkcji tarcz hamulcowych do samolotów, pociągów wysokich prędkości czy bolidów Formuły 1. Korzysta z nich też również branża sportowa, medyczna, chemiczna czy hutnicza.
Mnogość zastosowań kompozytów węgiel-węgiel nie idzie w parze z ich dostępnością na rynku. Metody produkcji materiałów CFRC opanowało jedynie kilka europejskich, amerykańskich i azjatyckich przedsiębiorstw, a popyt na nie nadal nie nadąża za podażą. –
Technologia wytwarzania kompozytów węgiel-węgiel jest wieloetapowym i energochłonnym procesem. Ich produkcją zajmują się duże firmy, które mają swoich odbiorców. Znacznie trudniej jest pozyskać je mniejszym przedsiębiorcom, m.in. na polskim rynku – przyznaje dr inż. Maciej Gubernat z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH.
Naukowiec stawia sobie za cel opracowanie konkurencyjnej technologii fabrykacji kompozytów węgiel-węgiel, a następnie skonstruowanie z nich dyszy silnika rakietowego.
Monolit czy hybryda?
Wytworzenie tego elementu jest możliwe albo w formie monolitu, albo hybrydy. W tym drugim przypadku w gardzieli umieszcza się krążek z materiału najbardziej odpornego na erozję, natomiast ścianki wykonuje się z mniej wytrzymałego tworzywa.
Jeżeli zrobimy dyszę z dwóch różnych materiałów, które charakteryzuje różna rozszerzalność cieplna, grozi to osłabieniem miejsca ich połączenia. Chcielibyśmy, aby nasza dysza była wykonana z jednego tworzywa. W tym celu planujemy układać włókna węglowe w taki sposób, aby uchronić osnowę przed naprężeniami, które prowadziłyby do jej degradacji – zapowiada badacz AGH.
Dysza zostanie przetestowana w silnikach rakietowych, które rozwija firma SpaceForest z Gdyni – główny partner projektu. SpaceForest jest producentem suborbitalnej rakiety Perun, dedykowanej do prowadzenia badań w stanie mikrograwitacji, która ma osiągać pułap 150 km i wynosić standardowy ładunek 50 kg. Firma liczy na wykorzystanie wyników projektu w przyszłych konstrukcjach silników rakietowych oraz w rozwijanych układach wykonawczych wektorowania ciągu TVC (ang. Thrust Vector Control).
Recepta na polskie CFRC
W ramach wcześniej prowadzonych eksperymentów, w laboratoriach AGH udało się stworzyć prototypowe materiały CFRC 2D, które nie odbiegają znacząco parametrami od wybranych komercyjnych odpowiedników. Teraz naukowcy chcą wykorzystać te doświadczenia, żeby wyprodukować tworzywo o bardziej skomplikowanej architekturze, którego parametry będą odpowiadały celom projektu. Zamierzają zbadać możliwość formowania kompozytów z wykorzystaniem różnych technik tworzenia fazy zbrojącej – poprzez tworzenie wielokierunkowych preform z prętów wzmocnionych włóknem węglowym oraz ich nawijanie, a także wykorzystanie różnych prekursorów fazy węglowej i sposobów dosycania kompozytów.
Testowana będzie m.in. metoda CVI (ang. Chemical Vapor Infiltration), gdzie prekursorem osnowy jest reaktywny gaz węglonośny, które osadza się na preformie i po poddaniu pirolizie tworzy osnowę o gęstości i mikrostrukturze, która powinna dawać oczekiwaną odporność na erozję. Naukowcy zamierzają również wzbogacić kompozyty o fazę ceramiczną zawierającą związki krzemu i pirowęgiel, aby zwiększyć ich odporność na utlenianie i erozję w warunkach wysokiej temperatury.
Badania są finansowane ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII edycji programu LIDER. Projekt dr. inż. Macieja Gubernata jest jednym z sześciu z najwyższą kwotą wsparcia – 1,5 mln zł. W sumie granty w łącznej wysokości ponad 71 mln zł trafiły do 49 młodych naukowców.
źródło: AGH