依索沃爾塔（Isovolta）開(kāi)發(fā)了二氧化硅纖維/氧化鋁 CERAPREG，使陶瓷基復(fù)合材料部件能夠在 900°C 下長(zhǎng)期使用，處理類(lèi)似于環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，介電性能類(lèi)似于石英。

使用 Isovolta CERAPREG 制造的氧化物 CMC 部件包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣混合器、陶瓷蜂窩芯板和復(fù)雜的管狀結(jié)構(gòu)。復(fù)合電池托盤(pán)由有機(jī)片材、CERAPREG 和壓制成塑料組成。來(lái)源 （所有圖像） |Euro-Composites，電池托盤(pán)由布倫瑞克工業(yè)大學(xué) Open Hybrid LabFactory 提供

據(jù)報(bào)道，依索沃爾塔公司（奧地利維也納新多夫）是世界上最大的飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)飾層壓板生產(chǎn)商之一，也是全球最大的內(nèi)飾預(yù)浸料供應(yīng)商。該公司在三大洲的 16 個(gè)地點(diǎn)擁有 1,500 多名員工，在浸漬、層壓、壓縮成型、機(jī)械加工、聚合物化學(xué)和工藝技術(shù)領(lǐng)域擁有專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

憑借在高性能環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂方面數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足飛機(jī)機(jī)艙/駕駛艙/貨物應(yīng)用的嚴(yán)格防火、防煙和防毒 （FST） 要求，依索沃爾塔看到了對(duì)能夠在更高溫度下工作的材料不斷增長(zhǎng)的需求。“大多數(shù)傳統(tǒng)的航空航天熱固性樹(shù)脂在 300°C 以下失效，”依索沃爾塔技術(shù)副總裁 Peter Wagner 解釋道。“隨著電動(dòng)汽車(chē) [EV] 以及新的移動(dòng)和太空應(yīng)用的增長(zhǎng)，我們可以看到對(duì)能夠承受高達(dá) 900°C 的材料的需求，但沒(méi)有傳統(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料 [CMC] 的高成本，因?yàn)閭鹘y(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料 [CMC] 的制造更加困難和耗時(shí)。”

由 CERAPREG 制成的 CMC 部件

依索沃爾塔開(kāi)發(fā)了 CERAPREG 作為替代品，它是二氧化硅纖維與二氧化硅-氧化鋁（氧化鋁）基體的組合，使 CMC 部件與金屬相比更輕，但比 Nextel（3M，美國(guó)明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市）或更昂貴的碳化硅（SiC） 纖維更便宜。“用 CERAPREG 制成的零件的機(jī)械性能和耐溫性不如 SiC/SiC 或碳/碳 CMC，”Wagner 說(shuō)，“但這種材料在需要在惡劣高溫環(huán)境中持續(xù)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)中具有良好的性能，例如無(wú)人機(jī)和汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)的排氣部件或電池艙。

二氧化硅與 SiC 和石英纖維

二氧化硅纖維主要由二氧化硅（SiO2），而 SiC 纖維是硅 （Si） 和碳 （C） 的化合物。Wagner 說(shuō)，后者需要漫長(zhǎng)的制造過(guò)程，并且比二氧化硅纖維更昂貴，二氧化硅纖維更容易生產(chǎn)，通常使用類(lèi)似于玻璃纖維生產(chǎn)的熔融紡絲制成。

由 620 g/m2 CERAPREG 制成的 CMC 部件，包括一個(gè)由四層和蜂窩結(jié)構(gòu)制成的天線罩和一個(gè)由兩層制成的裝料架

Isovolta 在 CERAPREG 中使用的二氧化硅纖維也不是石英，但由于纖維的純度為 >95% 的二氧化硅，因此它們有相似之處。“當(dāng)以 76.5 GHz 的頻率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們使用的光纖實(shí)際上具有低于 3.0 的介電性能，”Wagner 指出。“使用我們的 Radom 環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)與二氧化硅纖維相結(jié)合進(jìn)行的測(cè)試顯示了類(lèi)似的結(jié)果，我們正在驗(yàn)證這兩種組合是否可用于天線罩。”

他補(bǔ)充說(shuō)，雖然二氧化硅纖維可以承受高達(dá) 1600°C 的一次性暴露，但在 950°C 以上會(huì)開(kāi)始降解。CERAPREG 專(zhuān)為在高達(dá) 900°C 的溫度下長(zhǎng)時(shí)間暴露而開(kāi)發(fā)。

Ox-Ox 系統(tǒng)

雖然 SiC/SiC 材料在更高的溫度下運(yùn)行（例如，1200-1600°C），但氧化鋁（氧化鋁，Al2O3）纖維（稱(chēng)為 Ox-Ox）通常在高達(dá) 1200°C 的溫度下運(yùn)行，但沒(méi)有 SiC/SiC 和碳纖維/碳基體 （C/C） 材料可能面臨的氧化降解風(fēng)險(xiǎn)。

CERAPREG 也是一種 Ox-Ox 系統(tǒng)，可生產(chǎn)氧化物 CMC （OCMC），但使用帶有二氧化硅-氧化鋁基質(zhì)的二氧化硅纖維。“我們?cè)O(shè)計(jì)的 CERAPREG 提供了多種特性，”Wagner 說(shuō)。“這包括在 900°C 下的長(zhǎng)期性能、更實(shí)惠的成本、更輕松的處理和零件制造以及雷達(dá)透明度。但是，如果需要在較高溫度下長(zhǎng)期使用，那么我會(huì)考慮傳統(tǒng)的氧化鋁/氧化鋁 CMC。有新的公司生產(chǎn)氧化鋁纖維，因此可用性和價(jià)格應(yīng)該會(huì)下降。我們也測(cè)試并生產(chǎn)了氧化鋁 Ox-Ox CMC。

用 CERAPREG 制成的各種形狀的零件

Wagner 介紹了上圖所示的部件，其中包括用于航空航天排氣系統(tǒng)的混合器結(jié)構(gòu)、由 Euro-Composites（盧森堡埃希特納赫）的 Eco 陶瓷蜂窩制成的彎曲夾層結(jié)構(gòu)以及各種 CMC 管。“這些是測(cè)試部件，但都表明 CERAPREG 能夠處理復(fù)雜形狀以及良好的機(jī)械性能。”

Ox-Ox 預(yù)浸料的原因和方法

為什么要銷(xiāo)售預(yù)浸料？“因?yàn)樗构灸軌蚋斓刂圃炝慵盬agner 說(shuō)。“你可以購(gòu)買(mǎi)氧化物纖維和織物，但你仍然需要某種基質(zhì)來(lái)制造 CMC，而且知道如何做到這一點(diǎn)的公司并不多。預(yù)浸料使制造零件變得更加容易，但只有少數(shù)公司可能會(huì)銷(xiāo)售此類(lèi)材料。這些公司通常也希望制造 CMC 零件，而 Isovolta 則純粹銷(xiāo)售材料。我們告訴客戶如何加工預(yù)浸料，并提供有關(guān)如何使用材料和制造簡(jiǎn)單零件的培訓(xùn)，但他們不必分享有關(guān)他們將生產(chǎn)什么或如何生產(chǎn)的任何細(xì)節(jié)。

該電池托盤(pán)包括有機(jī)片基層、Cerapreg CMC 中間層和壓制成塑料的頂層。這些層在 220°C 的對(duì)流烘箱中預(yù)熱，使用針式夾具轉(zhuǎn)移到模具中，然后在加熱的壓力機(jī)中成型。Cerapreg 在 ~220°C 下暴露 ~45 分鐘，并提供耐熱性和阻燃性，如下所述。來(lái)源 |Open Hybrid LabFactory， Technische Universit?t Braunschweig

“我們將預(yù)浸料設(shè)計(jì)為無(wú)毒且易于處理，除了烤箱外，不需要任何特殊設(shè)備，”他繼續(xù)說(shuō)道。（零件也可以使用右圖所示的壓力機(jī)制造。“此外，熟悉聚合物復(fù)合預(yù)浸料的員工應(yīng)該能夠在沒(méi)有特殊培訓(xùn)的情況下使用它，但我們確實(shí)會(huì)根據(jù)需要提供盡可能多的培訓(xùn)——無(wú)論是在我們的工廠還是在客戶所在地。

“另一個(gè)問(wèn)題是，如果這種預(yù)浸料是溶劑型的，它會(huì)縮短它們的保質(zhì)期，”Wagner 說(shuō)。“我們的預(yù)浸料是水性的——我們確實(shí)有聚合物粘合劑，但它不到材料的 5%。這提供了更長(zhǎng)的保質(zhì)期——目前為 6 個(gè)月，但可以延長(zhǎng)——并且不需要額外的提取設(shè)備或措施來(lái)處理?yè)]發(fā)性有機(jī)化合物。

該材料最初是水性陶瓷漿料。“然后，我們將其與二氧化硅纖維織物相結(jié)合，并使用較短的熱加工周期來(lái)制造預(yù)浸料，”Wagner 說(shuō)。“通常，你有一條水平或垂直的預(yù)浸料線，但對(duì)于陶瓷，因?yàn)樗撬鶟{料，我們實(shí)際上不想干燥它。相反，我們希望盡可能保持濕潤(rùn)，以確保它在運(yùn)輸給客戶的過(guò)程中不會(huì)變干，但保持可塑性和可成型性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們修改了生產(chǎn)線，以確保保持必要的含水量和機(jī)械性能。然后，我們將其打包成便于客戶處理的形式。他指出，CERAPREG 應(yīng)儲(chǔ)存在 5-20°C 下，但不得冷凍。

性能、零件、未來(lái)發(fā)展

CERAPREG 目前有兩種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，一種織物重量為 600 克/平方米 （gsm），厚度為 0.7-0.8 毫米，另一種織物重量為 300 克/平方米，厚度為 <0.6 毫米。它們的樹(shù)脂密度、熱性能和介電性能如下所示。“對(duì)于這兩種材料，我們都實(shí)現(xiàn)了至少 40 兆帕的拉伸強(qiáng)度，”Wagner 說(shuō)，“但當(dāng)在纖維方向上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們使用 300 gsm 的材料實(shí)現(xiàn)了 60 多帕斯卡，并且有一家零件制造商達(dá)到了 75 兆帕。

600 和 300 g/m2 CERAPREG 產(chǎn)品共有的選定機(jī)械性能

盡管連續(xù)使用的最高溫度為 900°C，但 Wagner 表示，依索沃爾塔已將 CERAPREG 部件測(cè)試到 2000°C。 “我們將繼續(xù)與弗勞恩霍夫研究所和奧地利的其他研究所合作，以全面表征材料在 700-1000°C 下的機(jī)械性能，”他解釋說(shuō)，“我們正在與客戶共享這些數(shù)據(jù)。

Wagner 說(shuō)，CERAPREG 部件可以承受的最高溫度取決于時(shí)間和負(fù)載的組合。“你的負(fù)載很小，只想有一個(gè)隔熱層嗎？然后你可以提高溫度。對(duì)于更多的結(jié)構(gòu)件，最高溫度還取決于必須承受的負(fù)載類(lèi)型，例如循環(huán)、振動(dòng)或沖擊負(fù)載。你可以對(duì)這些進(jìn)行建模，但你也必須構(gòu)建和測(cè)試 CMC 部件。

Isovolta 不僅測(cè)試材料，還測(cè)試CERAPREG 零件，例如，用作汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的熱障。“我們也在使用 eVTOL，因?yàn)樵谶@兩種情況下，它們不僅需要耐溫性，還需要重量輕和強(qiáng)度高，”Wagner 指出。“我們正在進(jìn)行測(cè)試，模擬熱失控，其中電池中的金屬粉末以高溫彈丸的形式噴射。在這種情況下，即使你的隔熱和阻燃效果非常好，這些彈丸也會(huì)撞擊材料并產(chǎn)生孔洞，從而使隔熱失效。

粘合到 CERAPREG 層壓板上的碳纖維復(fù)合材料層壓板的火焰測(cè)試，5 分鐘后無(wú)損壞

依索沃爾塔還完成了混合部件的火焰測(cè)試，例如，將 1 毫米厚的碳纖維增強(qiáng)聚合物 （CFRP） 層壓板粘合到 2 毫米厚的 CERAPREG 層壓板上。“我們?cè)?1200°C 下進(jìn)行了測(cè)試，5 分鐘后背面僅達(dá)到 600°C，但沒(méi)有明顯的損壞，”Wagner 說(shuō)。“CERAPREG 提高了 CFRP 的熱性能，但如果你想提高 CERAPREG 的機(jī)械性能，很容易將其與氰酸酯或環(huán)氧樹(shù)脂 CFRP 粘合。”依索沃爾塔還用 1 毫米和 3 毫米厚的 CERAPREG 層壓板測(cè)試了氣凝膠和云母層壓板。

Wagner 說(shuō)，依索沃爾塔看到了 CERAPREG 的許多可能性以及利用其 CMC 特性的多種方法。“我們還在繼續(xù)探索新的制造選擇，包括熱進(jìn)、熱出壓制。”

聲明：本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)精選整理并編譯，旨在促進(jìn)行業(yè)交流，非商業(yè)用途。由于信息覆蓋面有限，難免有所疏漏，敬請(qǐng)諒解。引用時(shí)請(qǐng)注明出處。