（左上，順時(shí)針方向）采用OCMC預(yù)浸料表層的陶瓷蜂窩板、  Space Rider的CMC機(jī)體襟翼、UHTCMC緊固件，以及顯示無SIF滲透CMC成本降低的圖表。來源 | Isovolta、CIRA、K3RX和SRI

陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，與金屬相比，CMC 能夠減輕重量并在高溫下保持高性能。這提高了發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)流程和清潔能源/回收技術(shù)的效率，減少了燃料/電力消耗和排放。堅(jiān)固的 CMC 熱防護(hù)系統(tǒng) (TPS) 使可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭成為可能，而 CMC 火箭噴嘴（例如Firefly Aerospace 正在開發(fā)的噴嘴）可將重量減輕 50%，從而增加有效載荷。電動(dòng)汽車也需要電池外殼采用輕質(zhì) TPS，而高超音速平臺(tái)則需要用于前緣、雷達(dá)透明機(jī)鼻罩和其他結(jié)構(gòu)的材料，這些材料能夠承受 5 馬赫及以上速度下空氣摩擦產(chǎn)生的數(shù)千攝氏度高溫。

受此影響，過去幾年新材料、新工藝、新供應(yīng)商和新零部件產(chǎn)能不斷涌現(xiàn)。CW定期報(bào)道這些全球發(fā)展動(dòng)態(tài)，包括涂層和浸潤(rùn)等工藝步驟的簡(jiǎn)化、大批量零部件的自動(dòng)化生產(chǎn)以及超高溫陶瓷基復(fù)合材料 (UHTCMC) 的新技術(shù)。

氧化物纖維供應(yīng)增加

我在2023年關(guān)于CMC的專題報(bào)道中討論過的新的CMC纖維供應(yīng)商現(xiàn)已投產(chǎn)。Rath AG（奧地利維也納）于2024年10月成立，正在生產(chǎn)Altra Flex連續(xù)氧化物陶瓷纖維，其使用壽命可達(dá)1200°C。其位于德國門興格拉德巴赫的工廠初始產(chǎn)能為每年10噸，分為三個(gè)等級(jí)：M75莫來石纖維、MK85莫來石-剛玉纖維和K99剛玉纖維。

Vulcan Shield Global 提供各種氧化鋁纖維產(chǎn)品。來源 | VSG

另一家新供應(yīng)商是Vulcan Shield Global（VSG，新加坡），該公司提供由上海榮榮新材料科技（中國上海）有限公司生產(chǎn)的氧化鋁纖維，這兩家公司擁有相同的所有者。榮榮新建的氧化鋁纖維工廠將于2023年開始生產(chǎn)連續(xù)纖維和短纖維，產(chǎn)能有望分別擴(kuò)大至400噸和600噸。VSG作為一家獨(dú)立實(shí)體，在馬來西亞擁有一些生產(chǎn)基地，并正在積極探索在歐洲建立生產(chǎn)基地。

VSG 的連續(xù)纖維采用 ISO 認(rèn)證的制造工藝和專利溶膠-凝膠技術(shù)和工藝制成，其氧化鋁含量各不相同，適用于長(zhǎng)期高溫應(yīng)用，包括：B-70、F-72（1200°C）、C-85（1300°C）和 M-99（1100°C）。VSG 還提供種類繁多的氧化鋁產(chǎn)品，從長(zhǎng)纖維和短纖維到紙張、氈制品、針刺無紡布、紡織品、編織物和膠帶。

VSG市場(chǎng)經(jīng)理Sheng Kai Fong表示：“我們希望幫助緩解全球范圍內(nèi)這些纖維長(zhǎng)期以來的供應(yīng)不足和價(jià)格低廉的問題。我們將利用我們強(qiáng)大的制造能力、全球應(yīng)用團(tuán)隊(duì)以及先進(jìn)的研發(fā)和工程技術(shù)，幫助客戶開發(fā)適用于各種應(yīng)用的定制解決方案，包括之前被其他供應(yīng)商忽視的產(chǎn)品。”

來源 | Isovolta

作為全球最大的飛機(jī)內(nèi)飾層壓板和預(yù)浸料生產(chǎn)商之一，Isovolta（奧地利維也納新多夫）憑借數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了CERAPREG。這種材料將二氧化硅纖維與硅鋁基質(zhì)相結(jié)合，可承受高達(dá)900°C的高溫，但成本卻不像傳統(tǒng)CMC那樣高昂。Isovolta技術(shù)副總裁Peter Wagner表示，該公司銷售預(yù)浸料是“因?yàn)樗茏屍髽I(yè)更快地制造零件”。Wagner表示，CERAPREG無毒且易于操作，除了烤箱外無需任何特殊設(shè)備。零件也可以使用熱壓機(jī)制造。“我們會(huì)培訓(xùn)客戶使用這種材料并制造簡(jiǎn)單的零件，但他們無需透露生產(chǎn)什么零件或如何生產(chǎn)的細(xì)節(jié)。”

CERAPREG 已在多種部件中得到驗(yàn)證，包括排氣混合器、管道、芯板（上圖）以及電池外殼（上半部分和下半部分），圖中展示了其與 CFRP 的混合結(jié)構(gòu)（下圖）。來源 | Isovolta

如“不同的 Ox-Ox 預(yù)浸料”中所述，所得氧化物 CMC (OCMC) 材料具有良好的結(jié)構(gòu)性能，但二氧化硅纖維的純度 >95% 也使其具有與石英類似的介電性能，使 CERAPREG 成為雷達(dá)透明罩和機(jī)鼻雷達(dá)罩的理想材料。Wagner 補(bǔ)充道，雖然二氧化硅纖維可以承受高達(dá) 1600°C 的一次性暴露，但它會(huì)在 950°C 以上開始降解。Isovolta 繼續(xù)在新的應(yīng)用中測(cè)試這些材料，包括與環(huán)氧樹脂、氰酸酯和熱塑性復(fù)合材料的混合物、電動(dòng)汽車電池托盤、排氣混合器、CMC 管和用 Euro -Composites（盧森堡埃希特納赫）的 Eco 陶瓷蜂窩制成的夾層結(jié)構(gòu)。Wagner 表示，所有這些都展示了 CERAPREG 具有良好的機(jī)械性能和復(fù)雜的形狀，而在 1200°C 下的火焰測(cè)試表明 5 分鐘后沒有損壞。

Pyromeral Technology （美國加州桑尼維爾）成立于2023年，借鑒Pyromeral（法國巴貝里）數(shù)十年的材料開發(fā)和使用經(jīng)驗(yàn)，致力于進(jìn)一步推動(dòng)北美高溫復(fù)合材料的發(fā)展。其PyroKarb、PyroSic和PyroXide預(yù)浸料的加工工藝類似于碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），但即使在1100°C及以上溫度下也能保持高性能。專有的土工聚合物基質(zhì)可通過低溫?zé)釅汗藁驂簷C(jī)固化，使用低成本模具和單一獨(dú)立的后固化工藝，輕松鋪層，形成復(fù)雜的近凈形狀。無需后續(xù)的致密化或滲透工藝，與傳統(tǒng)的CMC相比，制造工藝更簡(jiǎn)單，交貨周期更短，零件成本更低。

PyroKarb 采用高模量碳纖維，最高工作溫度可達(dá) 540°C；PyroSic 采用碳化硅 (SiC) 纖維，最高工作溫度可達(dá) 815°C，與鈦合金相比，分別可減輕 60% 和 75% 的重量。PyroXide 采用氧化鋁纖維，最高工作溫度可達(dá) 1100°C，最高溫度可達(dá) 1650°C，并具有用于鼻錐和雷達(dá)孔徑的射頻穿透性。在排氣噴管方面，與 Inconel 相比，PyroXide 可減輕高達(dá) 70% 的重量。

Pyromeral Technology 公司還生產(chǎn) PyroXide，其寬度為 0.25 英寸（約 0.6 厘米），可卷成千米長(zhǎng)的線軸，無需接頭，可用于纏繞錐形和管狀部件。PyroKarb 和 PyroSic 的 Towpreg 版本即將推出。Pyromeral 材料可用于發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩、高超音速尾翼和外部蒙皮，以及先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的電池保護(hù)。

高溫材料系統(tǒng) (HTMS) 使用商用纖維，例如（從上到下）氧化鋁、碳纖維和玻璃纖維，并采用低溫固化基質(zhì)，以降低 CMC 成本。來源 | HTMS

高溫材料系統(tǒng)公司（HTMS，布里斯托爾）成立于2021年，旨在解決英國缺乏自主（即國內(nèi)自給自足）CMC生產(chǎn)能力和供應(yīng)鏈的問題。“我們生產(chǎn)的CMC預(yù)浸料的加工方式與聚合物預(yù)浸料類似，但可在高達(dá)1000°C的溫度下長(zhǎng)期使用，”聯(lián)合創(chuàng)始人理查德·格蘭杰博士說道。“我們的技術(shù)基于一種新型基質(zhì)化學(xué)，可在500-600°C以下固化，而傳統(tǒng)的Ox-Ox固化則需要在1000°C以上。我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)室溫至200°C的固化，以便現(xiàn)有的復(fù)合材料供應(yīng)鏈能夠使用這種預(yù)浸料。”

“有很多團(tuán)隊(duì)正在研究耐高溫材料，”他繼續(xù)說道，“但由于成本過高，他們并沒有真正將其轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品，即使是在航空航天領(lǐng)域。我們的方法允許使用更多商用纖維。” 目前的HTMS產(chǎn)品包括Ignishield（玄武巖纖維）、ThermaLite（氧化鋁纖維）和Carbonite X（碳纖維）。“這些產(chǎn)品顯著降低了成本，而且避免了燒結(jié)，這效果顯著，不僅減少了能耗、排放和加工時(shí)間，還降低了設(shè)備成本。目前的固化過程需要在180-200°C下進(jìn)行1-2小時(shí)，并在爐中進(jìn)行獨(dú)立的后固化，但我們希望在2.0版化學(xué)工藝中取消這最后一步。”

HTMS展示由CMC預(yù)浸料制成的電池盒。來源| HTMS

HTMS 目前正在為電池盒零件制造商供應(yīng)材料，這些材料可承受 30-60 分鐘的各種高溫和火焰測(cè)試。“我們提供全面保護(hù)，不含任何有機(jī)成分，不會(huì)引發(fā)火災(zāi)、煙霧或熱負(fù)荷，”Grainger 解釋道。該公司正與五家國防和汽車一級(jí)供應(yīng)商/原始設(shè)備制造商 (OEM) 以及三家賽車/高性能汽車合作伙伴合作。應(yīng)用包括 TPS 和隔熱板、排氣部件和制動(dòng)管道。“我們還與英國創(chuàng)新中心 (UK Innovate) 和羅伊斯研究所 (Royce Institute) 合作了多個(gè)項(xiàng)目，”他補(bǔ)充道。“我們剛剛完成種子輪融資，這將使我們能夠搬遷到更大的廠房，之后我們將提高預(yù)浸料的產(chǎn)量，并進(jìn)一步擴(kuò)展開發(fā)項(xiàng)目。”

FOX復(fù)合材料公司（德國科隆）是德國航空航天中心（DLR）科隆材料研究所的一個(gè)衍生項(xiàng)目，旨在改進(jìn)OCMC材料和組件的生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)更廣泛、更大規(guī)模的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)由DLR科學(xué)家Michael Welter博士和Vito Leisner博士領(lǐng)導(dǎo)，采用了DLR自2017年以來開發(fā)的兩種工藝，并在小批量零件和DLR飛行任務(wù)中得到了驗(yàn)證。

“真空輔助漿料灌注 [VASI] 源自碳纖維增強(qiáng)塑料 (CFRP) 中使用的真空輔助樹脂灌注 [VARI] 工藝，”Welter 解釋道。“我們通常使用真空袋中的單面模具，然后利用真空將漿料灌注到纖維預(yù)制件中。對(duì)于我們的灌注制造氧化物陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) [IFOX] 工藝，我們使用正負(fù)兩半模具來確定零件形狀和壁厚。與 RTM 工藝類似，將纖維預(yù)制件放入模具系統(tǒng)中，然后施加真空和壓力進(jìn)行漿料灌注和干燥。干燥的坯體可以從模具中脫出并燒結(jié)形成 OCMC。”

FOX復(fù)合材料公司開發(fā)了三種適用于不同使用溫度的漿料系統(tǒng)，并分別與二氧化硅、氧化鋁和莫來石纖維配合使用。迄今為止，該公司的大部分部件都使用了機(jī)織織物，但其工藝幾乎可以使用任何類型的纖維預(yù)制件，例如毛氈、短纖維或混合物，Leisner說道，“而且，我們看到根據(jù)客戶設(shè)計(jì)定制的3D預(yù)制件具有更大的潛力。”

與此同時(shí)， Americarb（位于美國紐約州尼亞加拉瀑布城）正在提升其CMC熱加工能力。該公司成立于2002年，專注于生產(chǎn)最高溫度可達(dá)2500°C的C/C和特種石墨，供應(yīng)板材、管材、爐具/支架和定制零件。該公司采用垂直整合模式，擁有碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線、高壓釜、機(jī)械加工和裝配能力，以及一臺(tái)30×40×40英尺（約90×10×10米）的900°C碳化爐和18臺(tái)最高溫度可達(dá)3000°C的感應(yīng)爐，可生產(chǎn)尺寸最大可達(dá)2.4×3.4米的大型部件。Americarb支持國防、航天、核能、電池、燃料電池和氫電解等領(lǐng)域的應(yīng)用，并正在開發(fā)OCMC和SiC產(chǎn)能。

此外，還有更多正在持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)。“CMC 是下一場(chǎng)材料革命，”美國宇航局蘭利中心空間與高超音速應(yīng)用材料 (AMSH) 團(tuán)隊(duì)高級(jí)技術(shù)專家兼負(fù)責(zé)人戴維·E·格拉斯博士說道。該團(tuán)隊(duì)使用 PWT 和其他測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施，以及多尺度建模和學(xué)科專家來支持成功的設(shè)計(jì)、制造和飛行。“CMC 有可能在太空、國防、交通和能源領(lǐng)域帶來顛覆性變革，為能夠成功實(shí)施這些技術(shù)的公司和國家?guī)碡S厚回報(bào)。但挑戰(zhàn)也同樣巨大。研究人員、制造商和最終用戶之間的協(xié)作與合作是實(shí)現(xiàn)其快速普及所需進(jìn)步的關(guān)鍵。”