Wzmacnianie połączeń pomiędzy materiałami o różnych właściwościach
Nowe materiały ceramiczne charakteryzujące się wyjątkową odpornością na wysoką temperaturę oraz innymi wysokowydajnymi właściwościami nie były do tej pory szeroko stosowane w produkcji ze względu na brak niezawodnych metod zespalania z innymi dostępnymi materiałami. W ramach finansowanego ze środków UE projektu ADMACOM – Advanced manufacturing routes for metal/composite components for aerospace – opracowano sposoby produkcji hybrydowych struktur poprzez połączenie nowszych materiałów ceramicznych z tradycyjnie stosowanymi metalami i polimerami. Właściwości różnorodnych materiałów, np. kurczenie się czy rozszerzalność, wytrzymałość mechaniczna bądź przewodność elektryczna i cieplna, często znacząco różnią się od siebie, utrudniając trwałe i niezawodne łączenie. "Nasze prace skupiły się na zespoleniu nanostruktur dwóch powierzchni, tak aby zmienić mikroteksturę powierzchniową oraz zwiększyć obszar powierzchniowy", mówi koordynator projektu, Monica Ferraris, profesor na Politechnice w Turynie, we Włoszech. "Po wytworzeniu nierównej powierzchni na obu materiałach poprzez użycie nanostrukturalnej technologii laserowej, wysokich temperatur i innych metod powierzchnie te można mechanicznie zespolić za pomocą środków adhezyjnych, które przenikają nierówne powierzchnie i tworzą silne wiązania". Cała gama materiałów Badacze akademiccy, projektanci przemysłowi, materiałoznawcy i inżynierzy z zakresu przestrzeni powietrznej, nanotechnologii oraz innych dziedzin, w tym Airbus Group oraz MT Aerospace z Niemiec, podjęli współpracę w ramach projektu partnerstwa publiczno-prywatnego ADMACOM, "Fabryki przyszłości", tak aby opracować techniki łączenia różnych materiałów. Na przykład, przedstawiciele grupy Airbus za pomocą lasera zmodyfikowali powierzchnie materiałów, takich jak węglik krzemu i azotek krzemu, tak aby utworzyć bezpieczne połączenia szczotkowe. "Materiał zespalający wkładany pomiędzy dwie powierzchnie ma zaledwie kilka mikronów grubości", mówi prof. Ferraris, ale jest niezwykle wytrzymały i niezawodny. "Tę technikę można wykorzystać podczas każdego procesu zespalania dwóch materiałów o różnych właściwościach. Technika ta ma uniwersalne zastosowanie, nie tylko w przestrzeni powietrznej", mówi Ferraris. Mniej części, mniejsza waga Materiały ceramiczne i nowe kompozyty o osnowie ceramicznej (CMC), tj. materiały ceramiczne z wbudowanymi włóknami, już teraz rewolucjonizują projektowanie komponentów przemysłowych. Wykorzystanie tradycyjnych metod, takich jak użycie dodatkowych śrub łączących materiały o różnych właściwościach, może spowodować napięcia w materiałach ceramicznych, prowadząc ostatecznie do większej podatności na pęknięcia. Nowy proces umożliwia zastosowanie mniejszej liczby części, w tym śrub i sworzni, i ograniczenie masy, co może przyczynić się do znaczących oszczędności energii w przemyśle lotniczym, w funkcjonowaniu satelitów, turbin wysokociśnieniowych oraz reaktorów jądrowych. Zespół przetestował proces przy użyciu wielu materiałów o różnych właściwościach, wykonując szczegółowe mikrostrukturalne analizy powierzchni materiałów, powierzchni styku oraz różnych materiałów zespalających, w tym klejów, oraz przeprowadzając podobne testy porównawcze. "Dodatkową korzyścią projektu jest możliwość walidacji różnych materiałów zespalających za pomocą tego samego znormalizowanego testu użytego na początku projektu. Zespolone materiały zostały przetestowane pod kątem wytrwałości mechanicznej i poddane próbie termicznej przy użyciu tej samej techniki", mówi prof. Ferraris. "Dowiedzieliśmy się, że modyfikacja powierzchni, która wcześniej była stosowana do wzmacniania połączeń drewnianych, może być wykorzystana do wzmacniania połączeń również w innych materiałach, w tym przypadku w materiałach ceramicznych i kompozytach z osnową ceramiczną.
Słowa kluczowe
ADMACOM, materiały, przestrzeń powietrzna, satelity, kompozyty o osnowie ceramicznej (CMC)
