陶瓷基复合材料：更快、更便宜、耐高温

（左上，顺时针方向）采用OCMC预浸料表层的陶瓷蜂窝板、  Space Rider的CMC机体襟翼、UHTCMC紧固件，以及显示无SIF渗透CMC成本降低的图表。来源 | Isovolta、CIRA、K3RX和SRI

陶瓷基复合材料(CMC)的需求持续增长，与金属相比，CMC 能够减轻重量并在高温下保持高性能。这提高了发动机、工业流程和清洁能源/回收技术的效率，减少了燃料/电力消耗和排放。坚固的 CMC 热防护系统 (TPS) 使可重复使用的运载火箭成为可能，而 CMC 火箭喷嘴（例如Firefly Aerospace 正在开发的喷嘴）可将重量减轻 50%，从而增加有效载荷。电动汽车也需要电池外壳采用轻质 TPS，而高超音速平台则需要用于前缘、雷达透明机鼻罩和其他结构的材料，这些材料能够承受 5 马赫及以上速度下空气摩擦产生的数千摄氏度高温。

受此影响，过去几年新材料、新工艺、新供应商和新零部件产能不断涌现。CW定期报道这些全球发展动态，包括涂层和浸润等工艺步骤的简化、大批量零部件的自动化生产以及超高温陶瓷基复合材料 (UHTCMC) 的新技术。

氧化物纤维供应增加

我在2023年关于CMC的专题报道中讨论过的新的CMC纤维供应商现已投产。Rath AG（奥地利维也纳）于2024年10月成立，正在生产Altra Flex连续氧化物陶瓷纤维，其使用寿命可达1200°C。其位于德国门兴格拉德巴赫的工厂初始产能为每年10吨，分为三个等级：M75莫来石纤维、MK85莫来石-刚玉纤维和K99刚玉纤维。

Vulcan Shield Global 提供各种氧化铝纤维产品。来源 | VSG

另一家新供应商是Vulcan Shield Global（VSG，新加坡），该公司提供由上海荣荣新材料科技（中国上海）有限公司生产的氧化铝纤维，这两家公司拥有相同的所有者。荣荣新建的氧化铝纤维工厂将于2023年开始生产连续纤维和短纤维，产能有望分别扩大至400吨和600吨。VSG作为一家独立实体，在马来西亚拥有一些生产基地，并正在积极探索在欧洲建立生产基地。

VSG 的连续纤维采用 ISO 认证的制造工艺和专利溶胶-凝胶技术和工艺制成，其氧化铝含量各不相同，适用于长期高温应用，包括：B-70、F-72（1200°C）、C-85（1300°C）和 M-99（1100°C）。VSG 还提供种类繁多的氧化铝产品，从长纤维和短纤维到纸张、毡制品、针刺无纺布、纺织品、编织物和胶带。

VSG市场经理Sheng Kai Fong表示：“我们希望帮助缓解全球范围内这些纤维长期以来的供应不足和价格低廉的问题。我们将利用我们强大的制造能力、全球应用团队以及先进的研发和工程技术，帮助客户开发适用于各种应用的定制解决方案，包括之前被其他供应商忽视的产品。”

来源 | Isovolta

作为全球最大的飞机内饰层压板和预浸料生产商之一，Isovolta（奥地利维也纳新多夫）凭借数十年的经验，开发出了CERAPREG。这种材料将二氧化硅纤维与硅铝基质相结合，可承受高达900°C的高温，但成本却不像传统CMC那样高昂。Isovolta技术副总裁Peter Wagner表示，该公司销售预浸料是“因为它能让企业更快地制造零件”。Wagner表示，CERAPREG无毒且易于操作，除了烤箱外无需任何特殊设备。零件也可以使用热压机制造。“我们会培训客户使用这种材料并制造简单的零件，但他们无需透露生产什么零件或如何生产的细节。”

CERAPREG 已在多种部件中得到验证，包括排气混合器、管道、芯板（上图）以及电池外壳（上半部分和下半部分），图中展示了其与 CFRP 的混合结构（下图）。来源 | Isovolta

如“不同的 Ox-Ox 预浸料”中所述，所得氧化物 CMC (OCMC) 材料具有良好的结构性能，但二氧化硅纤维的纯度 >95% 也使其具有与石英类似的介电性能，使 CERAPREG 成为雷达透明罩和机鼻雷达罩的理想材料。Wagner 补充道，虽然二氧化硅纤维可以承受高达 1600°C 的一次性暴露，但它会在 950°C 以上开始降解。Isovolta 继续在新的应用中测试这些材料，包括与环氧树脂、氰酸酯和热塑性复合材料的混合物、电动汽车电池托盘、排气混合器、CMC 管和用 Euro -Composites（卢森堡埃希特纳赫）的 Eco 陶瓷蜂窝制成的夹层结构。Wagner 表示，所有这些都展示了 CERAPREG 具有良好的机械性能和复杂的形状，而在 1200°C 下的火焰测试表明 5 分钟后没有损坏。

Pyromeral Technology （美国加州桑尼维尔）成立于2023年，借鉴Pyromeral（法国巴贝里）数十年的材料开发和使用经验，致力于进一步推动北美高温复合材料的发展。其PyroKarb、PyroSic和PyroXide预浸料的加工工艺类似于碳纤维增强聚合物（CFRP），但即使在1100°C及以上温度下也能保持高性能。专有的土工聚合物基质可通过低温热压罐或压机固化，使用低成本模具和单一独立的后固化工艺，轻松铺层，形成复杂的近净形状。无需后续的致密化或渗透工艺，与传统的CMC相比，制造工艺更简单，交货周期更短，零件成本更低。

PyroKarb 采用高模量碳纤维，最高工作温度可达 540°C；PyroSic 采用碳化硅 (SiC) 纤维，最高工作温度可达 815°C，与钛合金相比，分别可减轻 60% 和 75% 的重量。PyroXide 采用氧化铝纤维，最高工作温度可达 1100°C，最高温度可达 1650°C，并具有用于鼻锥和雷达孔径的射频穿透性。在排气喷管方面，与 Inconel 相比，PyroXide 可减轻高达 70% 的重量。

Pyromeral Technology 公司还生产 PyroXide，其宽度为 0.25 英寸（约 0.6 厘米），可卷成千米长的线轴，无需接头，可用于缠绕锥形和管状部件。PyroKarb 和 PyroSic 的 Towpreg 版本即将推出。Pyromeral 材料可用于发动机隔热罩、高超音速尾翼和外部蒙皮，以及先进空中机动系统的电池保护。

高温材料系统 (HTMS) 使用商用纤维，例如（从上到下）氧化铝、碳纤维和玻璃纤维，并采用低温固化基质，以降低 CMC 成本。来源 | HTMS

高温材料系统公司（HTMS，布里斯托尔）成立于2021年，旨在解决英国缺乏自主（即国内自给自足）CMC生产能力和供应链的问题。“我们生产的CMC预浸料的加工方式与聚合物预浸料类似，但可在高达1000°C的温度下长期使用，”联合创始人理查德·格兰杰博士说道。“我们的技术基于一种新型基质化学，可在500-600°C以下固化，而传统的Ox-Ox固化则需要在1000°C以上。我们的目标是实现室温至200°C的固化，以便现有的复合材料供应链能够使用这种预浸料。”

“有很多团队正在研究耐高温材料，”他继续说道，“但由于成本过高，他们并没有真正将其转化为商业产品，即使是在航空航天领域。我们的方法允许使用更多商用纤维。” 目前的HTMS产品包括Ignishield（玄武岩纤维）、ThermaLite（氧化铝纤维）和Carbonite X（碳纤维）。“这些产品显著降低了成本，而且避免了烧结，这效果显著，不仅减少了能耗、排放和加工时间，还降低了设备成本。目前的固化过程需要在180-200°C下进行1-2小时，并在炉中进行独立的后固化，但我们希望在2.0版化学工艺中取消这最后一步。”

HTMS展示由CMC预浸料制成的电池盒。来源| HTMS

HTMS 目前正在为电池盒零件制造商供应材料，这些材料可承受 30-60 分钟的各种高温和火焰测试。“我们提供全面保护，不含任何有机成分，不会引发火灾、烟雾或热负荷，”Grainger 解释道。该公司正与五家国防和汽车一级供应商/原始设备制造商 (OEM) 以及三家赛车/高性能汽车合作伙伴合作。应用包括 TPS 和隔热板、排气部件和制动管道。“我们还与英国创新中心 (UK Innovate) 和罗伊斯研究所 (Royce Institute) 合作了多个项目，”他补充道。“我们刚刚完成种子轮融资，这将使我们能够搬迁到更大的厂房，之后我们将提高预浸料的产量，并进一步扩展开发项目。”

FOX复合材料公司（德国科隆）是德国航空航天中心（DLR）科隆材料研究所的一个衍生项目，旨在改进OCMC材料和组件的生产，以实现更广泛、更大规模的应用。该团队由DLR科学家Michael Welter博士和Vito Leisner博士领导，采用了DLR自2017年以来开发的两种工艺，并在小批量零件和DLR飞行任务中得到了验证。

“真空辅助浆料灌注 [VASI] 源自碳纤维增强塑料 (CFRP) 中使用的真空辅助树脂灌注 [VARI] 工艺，”Welter 解释道。“我们通常使用真空袋中的单面模具，然后利用真空将浆料灌注到纤维预制件中。对于我们的灌注制造氧化物陶瓷基复合材料 (CMC) [IFOX] 工艺，我们使用正负两半模具来确定零件形状和壁厚。与 RTM 工艺类似，将纤维预制件放入模具系统中，然后施加真空和压力进行浆料灌注和干燥。干燥的坯体可以从模具中脱出并烧结形成 OCMC。”

FOX复合材料公司开发了三种适用于不同使用温度的浆料系统，并分别与二氧化硅、氧化铝和莫来石纤维配合使用。迄今为止，该公司的大部分部件都使用了机织织物，但其工艺几乎可以使用任何类型的纤维预制件，例如毛毡、短纤维或混合物，Leisner说道，“而且，我们看到根据客户设计定制的3D预制件具有更大的潜力。”

与此同时， Americarb（位于美国纽约州尼亚加拉瀑布城）正在提升其CMC热加工能力。该公司成立于2002年，专注于生产最高温度可达2500°C的C/C和特种石墨，供应板材、管材、炉具/支架和定制零件。该公司采用垂直整合模式，拥有碳纤维预浸料生产线、高压釜、机械加工和装配能力，以及一台30×40×40英尺（约90×10×10米）的900°C碳化炉和18台最高温度可达3000°C的感应炉，可生产尺寸最大可达2.4×3.4米的大型部件。Americarb支持国防、航天、核能、电池、燃料电池和氢电解等领域的应用，并正在开发OCMC和SiC产能。

此外，还有更多正在持续发展的新技术。“CMC 是下一场材料革命，”美国宇航局兰利中心空间与高超音速应用材料 (AMSH) 团队高级技术专家兼负责人戴维·E·格拉斯博士说道。该团队使用 PWT 和其他测试基础设施，以及多尺度建模和学科专家来支持成功的设计、制造和飞行。“CMC 有可能在太空、国防、交通和能源领域带来颠覆性变革，为能够成功实施这些技术的公司和国家带来丰厚回报。但挑战也同样巨大。研究人员、制造商和最终用户之间的协作与合作是实现其快速普及所需进步的关键。”