Soluciones de alta temperatura: Integrando PRFC con compuestos de matriz cerámica

Los materiales que permiten estructuras de alto rendimiento a temperaturas de servicio superiores a 500 °F / 230 °C son limitados. Las opciones son básicamente metales como titanio y aleaciones como Inconel, poliamidas (PI) o compuestos de matriz cerámica (CMC). Todos estos son significativamente más costosos que los compuestos de polímero reforzado con fibra de carbono (PRFC) convencionales, pero los CMC han estado ganando interés debido a su baja densidad —aproximadamente un tercio de la de Inconel y la mitad de la de titanio. El inconveniente de los CMC ha sido los largos tiempos de procesamiento requeridos para hacer piezas —poco menos de 30 días, según un artículo de abril de 2019 en el American Ceramic Society Bulletin.

Sin embargo, Pyromeral (Barbery, Francia) ha desarrollado una familia de productos que cubren esta brecha, ofreciendo rendimiento hasta 1.500 °C con procesamiento más parecido al PRFC, produciendo piezas en aproximadamente una semana. "Hemos desarrollado una química novedosa que permite matrices vitrocerámicas avanzadas reforzadas con fibras continuas sin el largo paso de infiltración por fusión", explica el director de ventas y marketing de Pyromeral, Guillaume Jandin. La empresa ofrece PyroKarb, PyroSic y PyroXide reforzados con fibras de alto módulo de carbono, carburo de silicio y óxido de aluminio, respectivamente, típicamente en forma de tejidos sarga dos por dos, resultando en compuestos con una fracción de volumen de fibra (FVF) del 50%.

Factores de rendimiento térmico

Jandin explica que mientras los tres materiales de Pyromeral pueden rendir por encima de 1.000 °C por menos de 1 hora, PyroKarb ofrece servicio a largo plazo (menos de 1.000 horas) a 200 °C, y hasta 100 horas a 500 °C. PyroSic ofrece servicio a largo plazo a 500 °C y hasta 100 horas a 800 °C. PyroXide ofrece servicio corto hasta 1.500 °C, muy cerca del rendimiento de CMC Ox-Ox, pero a menor costo.

"El rendimiento térmico en piezas reales depende de muchos factores", dice Jandin. "Estos incluyen el tipo de calor (radiante, convectivo), si hay flujo de aire para ayudar a enfriar algunas áreas de la pieza y también qué propiedades estructurales se requieren —por ejemplo, un escudo térmico no estructural o pieza semiestructural. Si los materiales funcionan a temperatura alta continua o en destellos de corta duración también es crítico", añade. "PyroSic y PyroKarb funcionan bien con lo último, como ciclos repetidos de 1.000 °C por una décima de segundo, enfriamiento y luego repetición. Su bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) de aproximadamente 3,10⁻⁶ µm/m/K es un beneficio comparado con metales, que tienden hacia un CTE mayor que 10,10⁻⁶ µm/m/K. Estos tipos de metales incurren en estrés para acomodar ciclos térmicos rápidos de alta temperatura y degradan por fatiga, mientras que nuestros materiales no lo hacen."

Procesamiento tipo PRFC, aplicaciones de alta temperatura

"Inventamos nuestros materiales de matriz para que sean líquidos a temperatura ambiente y usamos máquinas de impregnación para crear prepreg", señala Jandin. Los prepregs se colocan sobre herramientas de CF/epoxi. "No trabajamos con herramientas metálicas porque nuestra matriz es alcalina y podría reaccionar", añade. "El siguiente paso es densificación en autoclave a 100 °C y 6 bar durante aproximadamente 12 horas." Las piezas se desmoldean y luego proceden, autoportantes, a través de un proceso térmico de dos etapas a 500-1.000 °C que completa la ceramización de la matriz, resultando en componentes estructurales.

Pyromeral encontró éxito temprano en coches de carreras de Fórmula 1. "Nuestros materiales se usan en escudos térmicos alrededor de motores y también alrededor de frenos, que alcanzan temperaturas de 500-700 °C", dice Jandin. "Durante la temporada 2012-13 de F1, cada coche excepto Sauber usó nuestros materiales para piezas que dirigen gas de escape del motor (800 °C). Estas estructuras también resistieron vibración tanto del escape como del chasis. Ahora tenemos componentes en cada coche que corre en F1."

"También, podemos integrar aislamiento de alto rendimiento en nuestros materiales para soportar caídas de 700 °C con un espesor de 6 milímetros", continúa. "Por ejemplo, hacemos componentes que permiten una caja de cambios de F1 hecha de CF/epoxi —que debe mantenerse por debajo de 180 °C— sentarse a 20 milímetros del turbocompresor a 900-950 °C." Otras aplicaciones incluyen un escudo térmico PyroXide calificado para el vehículo de lanzamiento Ariane 5 y piezas para el Ariane 6, así como salidas de escape PyroSic para vehículos aéreos no tripulados (UAV) grandes.

Pyromeral ha asociado con Composite Resources (Rock Hill, Carolina del Sur, EE. UU.) para expandir su mercado en EE. UU. (ver "La construcción de un nicho de fabricación de compuestos"). Las empresas son similares en tamaño y comparten una larga historia en carreras. "Nuestra experiencia en diseño y fabricación de piezas es complementaria al enfoque de Pyromeral en química y rendimiento de materiales", dice el director de desarrollo de negocio de Composite Resources, Melvil Clauson.

Las dos empresas están trabajando para satisfacer demandas de clientes de resistencia a temperatura aún más alta y para caracterizar la alta transparencia de radiofrecuencia (RF) de PyroXide para uso en radomos y antenas. "Estamos viendo interés respecto a aviones supersónicos y aplicaciones de defensa muy amplias más allá de la Fuerza Aérea, así como en motores a reacción comerciales", señala Clauson.

"Los productos de Pyromeral también son de visión futura", dice Clauson, "porque no contienen sustancias basadas en petróleo —solo agua como disolvente. Los otros constituyentes son minerales, permitiéndonos procesar piezas al final de su vida en polvo que puede reutilizarse en otras aplicaciones."