Nowy kompozyt - lżejszy i bardziej odporny na ogień niż metal
Bezpośredni kontakt z płomieniem oraz pożary akumulatorów prowadzą do szybkiego zniszczenia typowych kompozytów polimerowych. Obecnie inżynierowie są zmuszeni do wyboru między ciężkimi kompozytami tytanowymi a kompozytami ceramicznymi, które są odporne na wysoką temperaturę, ale ich zastosowanie komplikuje proces produkcji i istotnie podnosi koszty.
Rozwój kompozytów zbliżonych do metali
Rozwiązaniem tego dylematu zajął się zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Innowacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu C-PREG 400, który w ramach badań wypracował rozwiązanie FireX-Preg – wysokotemperaturowy półprodukt kompozytowy, który ma stanowić brakujące ogniwo między konwencjonalnymi kompozytami polimerowymi a złożonymi materiałami ceramicznymi. Nowy materiał pozwoli na zastąpienie metali lekkimi kompozytami w miejscach wymagających odporności na wysokie temperatury. „Opracowując rozwiązanie FireX-Preg nie obieraliśmy za nasz cel opracowania kompozytu, który wytrzyma wyższe temperatury”, wyjaśnia Giuseppe Galimberti, koordynator projektu i dyrektor generalny spółki Nano-Tech. „Chcieliśmy sprawić, by kompozyty odporne na wysokie temperatury stały się łatwiejsze w produkcji i łączeniu z istniejącymi materiałami, co umożliwi ich stosowanie w miejscach, w których dotychczas wymagane było stosowanie metali”. FireX-Preg stanowi przykład technologii półproduktów kompozytowych nowej generacji opartych na hybrydowych wysokotemperaturowych kompozytów w osnowie ceramicznej(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które są objęte ochroną praw własności intelektualnej. Materiały te mogą być wzmacniane włóknami węglowymi, szklanymi lub hybrydowymi, co pozwala osiągnąć próg termiczny DMA-Tg ≥400 °C. Korzyści z zastosowania tej technologii to nie tylko odporność na wysokie temperatury. Nowy kompozyt pełni rolę osłony termicznej, jest niepalny, a ponadto jest odporny na działanie paliw lotniczych i środków chemicznych. Dodatkowo nie wydziela gazów w przestrzeni kosmicznej i nie blokuje fal elektromagnetycznych, dzięki czemu może znaleźć zastosowanie w systemach satelitarnych i infrastrukturze łączności.
Łatwiejsze formowanie, prostszy recykling
Z punktu widzenia produkcji rozwiązanie FireX-Preg eliminuje wąskie gardła, które zazwyczaj utrudniają wprowadzenie na rynek nowych materiałów. Nie wymaga bowiem długich i kosztownych cykli utwardzania, a jego produkcja jest możliwa przy użyciu konwencjonalnych rozwiązań, w tym formowania w autoklawach, poza autoklawami oraz tłocznego. Utwardzanie trwa 90 minut w temperaturze 135 °C, w temperaturze 180 °C skraca się do 60 minut. W przypadku linii produkcyjnych o dużej wydajności zastosowanie nowego materiału umożliwia realizację cykli tłoczenia na gorąco trwających zaledwie 15 minut w temperaturze 180 °C. Możliwość jednoczesnego utwardzania wpływa na sposób projektowania elementów. Inżynierowie nie muszą już budować całej konstrukcji z materiałów specjalistycznych; zamiast tego mogą stosować materiał FireX-Preg wyłącznie tam, gdzie wymagana jest ochrona przed wysoką temperaturą i ogniem. W pozostałych miejscach mogą wykorzystywać standardowe kompozyty konstrukcyjne w celu optymalizacji kosztów i masy. Wariant Glass-FireX-Preg (materiał FireX-Preg wzmocniony włóknem szklanym) zapewnia istotną przewagę z punktu widzenia ekologii w kontekście wnętrz samolotów, gdzie dotychczas powszechnie stosowano kompozyty z włókna szklanego spełniające wyśrubowane wymagania dotyczące ognioodporności. „Utwardzone elementy mogą trafić bezpośrednio do standardowych pieców do produkcji szkła jako surowiec, bez konieczności usuwania osnowy, co pozwala na powrót kompozytu bezpośrednio do pierwotnego ekosystemu przemysłowego i zapewnia bardziej ekologiczny sposób utylizacji niż w przypadku tradycyjnych żywic fenolowych”, wyjaśnia Galimberti.
Przetestowane w ogniu - śmigłowce i samoloty elektryczne
Możliwości materiału zostały zweryfikowane na poziomie podzespołów i rzeczywistych rozwiązań, nie zaś na podstawie badania próbek testowych w laboratoriach. W ramach jednego ze scenariuszy testowych zastąpienie tytanowego elementu przegrody ogniowej o masie 1,61 kilograma w śmigłowcu materiałem FireX-Preg pozwoliło zmniejszyć jego wagę nawet o 48 %, obniżając jednocześnie koszty produkcji nawet o 57 %. Materiał okazał się równie skuteczny w testach bezpieczeństwa na pokładzie samolotów elektrycznych. Podczas testu zakładającego pożar akumulatora obejmujący 216 w pełni naładowanych ogniw obudowa wykonana z kompozytu FireX pozwoliła na całkowite powstrzymanie rozprzestrzeniania ognia, zapobiegając erozji, perforacji konstrukcji oraz wyciekowi gorących gazów. Rozwiązanie FireX-Preg przeszło z etapu badań do etapu produkcji przemysłowej dzięki elastycznemu procesowi obróbki, szybkim cyklom utwardzania, kompatybilności z rozwiązaniami hybrydowymi oraz osiągom potwierdzonym w testach. „W przyszłości zamierzamy uzyskać certyfikaty przemysłu lotniczego związane z odpowiednimi programami oraz zapewnimy przewodność elektryczną, co pozwoli na wykorzystanie naszego rozwiązania w celu ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych”, podsumowuje Galimberti.