不同的 Ox-Ox 预浸料，提供更快、更实惠的 CMC 选择

依索沃尔塔（Isovolta）开发了二氧化硅纤维/氧化铝 CERAPREG，使陶瓷基复合材料部件能够在 900°C 下长期使用，处理类似于环氧树脂预浸料，介电性能类似于石英。

使用 Isovolta CERAPREG 制造的氧化物 CMC 部件包括航空发动机排气混合器、陶瓷蜂窝芯板和复杂的管状结构。复合电池托盘由有机片材、CERAPREG 和压制成塑料组成。来源 （所有图像） |Euro-Composites，电池托盘由布伦瑞克工业大学 Open Hybrid LabFactory 提供

据报道，依索沃尔塔公司（奥地利维也纳新多夫）是世界上最大的飞机机舱内饰层压板生产商之一，也是全球最大的内饰预浸料供应商。该公司在三大洲的 16 个地点拥有 1,500 多名员工，在浸渍、层压、压缩成型、机械加工、聚合物化学和工艺技术领域拥有专业知识。

凭借在高性能环氧树脂和酚醛树脂方面数十年的经验，能够满足飞机机舱/驾驶舱/货物应用的严格防火、防烟和防毒 （FST） 要求，依索沃尔塔看到了对能够在更高温度下工作的材料不断增长的需求。“大多数传统的航空航天热固性树脂在 300°C 以下失效，”依索沃尔塔技术副总裁 Peter Wagner 解释道。“随着电动汽车 [EV] 以及新的移动和太空应用的增长，我们可以看到对能够承受高达 900°C 的材料的需求，但没有传统陶瓷基复合材料 [CMC] 的高成本，因为传统陶瓷基复合材料 [CMC] 的制造更加困难和耗时。”

由 CERAPREG 制成的 CMC 部件

依索沃尔塔开发了 CERAPREG 作为替代品，它是二氧化硅纤维与二氧化硅-氧化铝（氧化铝）基体的组合，使 CMC 部件与金属相比更轻，但比 Nextel（3M，美国明尼苏达州明尼阿波利斯市）或更昂贵的碳化硅（SiC） 纤维更便宜。“用 CERAPREG 制成的零件的机械性能和耐温性不如 SiC/SiC 或碳/碳 CMC，”Wagner 说，“但这种材料在需要在恶劣高温环境中持续运行的结构中具有良好的性能，例如无人机和汽车电动汽车的排气部件或电池舱。

二氧化硅与 SiC 和石英纤维

二氧化硅纤维主要由二氧化硅（SiO2），而 SiC 纤维是硅 （Si） 和碳 （C） 的化合物。Wagner 说，后者需要漫长的制造过程，并且比二氧化硅纤维更昂贵，二氧化硅纤维更容易生产，通常使用类似于玻璃纤维生产的熔融纺丝制成。

由 620 g/m2 CERAPREG 制成的 CMC 部件，包括一个由四层和蜂窝结构制成的天线罩和一个由两层制成的装料架

Isovolta 在 CERAPREG 中使用的二氧化硅纤维也不是石英，但由于纤维的纯度为 >95% 的二氧化硅，因此它们有相似之处。“当以 76.5 GHz 的频率进行测试时，我们使用的光纤实际上具有低于 3.0 的介电性能，”Wagner 指出。“使用我们的 Radom 环氧树脂系统与二氧化硅纤维相结合进行的测试显示了类似的结果，我们正在验证这两种组合是否可用于天线罩。”

他补充说，虽然二氧化硅纤维可以承受高达 1600°C 的一次性暴露，但在 950°C 以上会开始降解。CERAPREG 专为在高达 900°C 的温度下长时间暴露而开发。

Ox-Ox 系统

虽然 SiC/SiC 材料在更高的温度下运行（例如，1200-1600°C），但氧化铝（氧化铝，Al2O3）纤维（称为 Ox-Ox）通常在高达 1200°C 的温度下运行，但没有 SiC/SiC 和碳纤维/碳基体 （C/C） 材料可能面临的氧化降解风险。

CERAPREG 也是一种 Ox-Ox 系统，可生产氧化物 CMC （OCMC），但使用带有二氧化硅-氧化铝基质的二氧化硅纤维。“我们设计的 CERAPREG 提供了多种特性，”Wagner 说。“这包括在 900°C 下的长期性能、更实惠的成本、更轻松的处理和零件制造以及雷达透明度。但是，如果需要在较高温度下长期使用，那么我会考虑传统的氧化铝/氧化铝 CMC。有新的公司生产氧化铝纤维，因此可用性和价格应该会下降。我们也测试并生产了氧化铝 Ox-Ox CMC。

用 CERAPREG 制成的各种形状的零件

Wagner 介绍了上图所示的部件，其中包括用于航空航天排气系统的混合器结构、由 Euro-Composites（卢森堡埃希特纳赫）的 Eco 陶瓷蜂窝制成的弯曲夹层结构以及各种 CMC 管。“这些是测试部件，但都表明 CERAPREG 能够处理复杂形状以及良好的机械性能。”

Ox-Ox 预浸料的原因和方法

为什么要销售预浸料？“因为它使公司能够更快地制造零件，”Wagner 说。“你可以购买氧化物纤维和织物，但你仍然需要某种基质来制造 CMC，而且知道如何做到这一点的公司并不多。预浸料使制造零件变得更加容易，但只有少数公司可能会销售此类材料。这些公司通常也希望制造 CMC 零件，而 Isovolta 则纯粹销售材料。我们告诉客户如何加工预浸料，并提供有关如何使用材料和制造简单零件的培训，但他们不必分享有关他们将生产什么或如何生产的任何细节。

该电池托盘包括有机片基层、Cerapreg CMC 中间层和压制成塑料的顶层。这些层在 220°C 的对流烘箱中预热，使用针式夹具转移到模具中，然后在加热的压力机中成型。Cerapreg 在 ~220°C 下暴露 ~45 分钟，并提供耐热性和阻燃性，如下所述。来源 |Open Hybrid LabFactory， Technische Universität Braunschweig

“我们将预浸料设计为无毒且易于处理，除了烤箱外，不需要任何特殊设备，”他继续说道。（零件也可以使用右图所示的压力机制造。“此外，熟悉聚合物复合预浸料的员工应该能够在没有特殊培训的情况下使用它，但我们确实会根据需要提供尽可能多的培训——无论是在我们的工厂还是在客户所在地。

“另一个问题是，如果这种预浸料是溶剂型的，它会缩短它们的保质期，”Wagner 说。“我们的预浸料是水性的——我们确实有聚合物粘合剂，但它不到材料的 5%。这提供了更长的保质期——目前为 6 个月，但可以延长——并且不需要额外的提取设备或措施来处理挥发性有机化合物。

该材料最初是水性陶瓷浆料。“然后，我们将其与二氧化硅纤维织物相结合，并使用较短的热加工周期来制造预浸料，”Wagner 说。“通常，你有一条水平或垂直的预浸料线，但对于陶瓷，因为它是水基浆料，我们实际上不想干燥它。相反，我们希望尽可能保持湿润，以确保它在运输给客户的过程中不会变干，但保持可塑性和可成型性。为了实现这一目标，我们修改了生产线，以确保保持必要的含水量和机械性能。然后，我们将其打包成便于客户处理的形式。他指出，CERAPREG 应储存在 5-20°C 下，但不得冷冻。

性能、零件、未来发展

CERAPREG 目前有两种标准产品，一种织物重量为 600 克/平方米 （gsm），厚度为 0.7-0.8 毫米，另一种织物重量为 300 克/平方米，厚度为 <0.6 毫米。它们的树脂密度、热性能和介电性能如下所示。“对于这两种材料，我们都实现了至少 40 兆帕的拉伸强度，”Wagner 说，“但当在纤维方向上进行测试时，我们使用 300 gsm 的材料实现了 60 多帕斯卡，并且有一家零件制造商达到了 75 兆帕。

600 和 300 g/m2 CERAPREG 产品共有的选定机械性能

尽管连续使用的最高温度为 900°C，但 Wagner 表示，依索沃尔塔已将 CERAPREG 部件测试到 2000°C。 “我们将继续与弗劳恩霍夫研究所和奥地利的其他研究所合作，以全面表征材料在 700-1000°C 下的机械性能，”他解释说，“我们正在与客户共享这些数据。

Wagner 说，CERAPREG 部件可以承受的最高温度取决于时间和负载的组合。“你的负载很小，只想有一个隔热层吗？然后你可以提高温度。对于更多的结构件，最高温度还取决于必须承受的负载类型，例如循环、振动或冲击负载。你可以对这些进行建模，但你也必须构建和测试 CMC 部件。

Isovolta 不仅测试材料，还测试CERAPREG 零件，例如，用作汽车电动汽车应用的热障。“我们也在使用 eVTOL，因为在这两种情况下，它们不仅需要耐温性，还需要重量轻和强度高，”Wagner 指出。“我们正在进行测试，模拟热失控，其中电池中的金属粉末以高温弹丸的形式喷射。在这种情况下，即使你的隔热和阻燃效果非常好，这些弹丸也会撞击材料并产生孔洞，从而使隔热失效。

粘合到 CERAPREG 层压板上的碳纤维复合材料层压板的火焰测试，5 分钟后无损坏

依索沃尔塔还完成了混合部件的火焰测试，例如，将 1 毫米厚的碳纤维增强聚合物 （CFRP） 层压板粘合到 2 毫米厚的 CERAPREG 层压板上。“我们在 1200°C 下进行了测试，5 分钟后背面仅达到 600°C，但没有明显的损坏，”Wagner 说。“CERAPREG 提高了 CFRP 的热性能，但如果你想提高 CERAPREG 的机械性能，很容易将其与氰酸酯或环氧树脂 CFRP 粘合。”依索沃尔塔还用 1 毫米和 3 毫米厚的 CERAPREG 层压板测试了气凝胶和云母层压板。

Wagner 说，依索沃尔塔看到了 CERAPREG 的许多可能性以及利用其 CMC 特性的多种方法。“我们还在继续探索新的制造选择，包括热进、热出压制。”

声明：本文由中国复合材料工业协会精选整理并编译，旨在促进行业交流，非商业用途。由于信息覆盖面有限，难免有所疏漏，敬请谅解。引用时请注明出处。