聚焦·新型纤维增强玻璃陶瓷基复合材料：旨在缩小CFRP与CMC之间的差距
新型复合材料可在高达1000°C的温度下提供更快的加工性能。
新型复合材料可在高达1000°C的温度下提供更快的加工性能。
本文作者：GINGER GARDINER
-《CompositesWorld/复材世界》杂志高级编辑
由PyroXide（左）和PyroSic（右）材料制成的发动机排气结构。PyroXide使用3M Nextel氧化铝纤维，从而形成了与Ox-Ox CMC非常相似的复合材料，形成了合适的预浸料坯，无需进行打褶即可制成复杂的形状。
照片来源：Thermeral
在高于500°F / 230°C的工作温度下能够实现高性能结构的材料选择很少。基本上可以选择钛等金属，以及铬镍铁合金，聚酰亚胺（PI）或陶瓷基复合材料（CMC）等合金。与传统的碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料相比，所有这些材料的成本都高得多，但由于CMC的密度低（大约为Inconel的三分之一和钛的一半），因此引起了人们的关注。根据《美国陶瓷协会公报（American Ceramic Society Bulletin）》 2019年4月的一篇文章，CMC的缺点是制造零件所需的加工时间长-短于30天。
然而，Pyromeral（法国巴贝里）开发了一系列产品，弥补了这一差距，其性能高达1500°C，加工工艺更接近于碳纤维增强塑料（CFRP），在大约一周内生产零件。“我们已经开发出新的化学技术，使先进的玻璃陶瓷基体与连续纤维增强，而无需冗长的熔融渗透步骤，”Pyromeral的销售和市场总监Guillaume Jandin解释道。该公司提供分别用高模量碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维增强的PyroKarb、PyroSic和PyroXide材料，通常以两条斜纹织物的形式出现，从而形成纤维体积分数（FVF）为50%的复合材料。
纤维增强玻璃陶瓷基体零件
Pyromeral已为其PyroKarb，PyroSic和PyroXide产品分别开发了一种碳，碳化硅和氧化铝纤维增强的水基玻璃陶瓷基体材料系列。
图片来源：Thermeral
纤维增强玻璃陶瓷基体零件
Pyromeral已为其PyroKarb，PyroSic和PyroXide产品分别开发了一种碳，碳化硅和氧化铝纤维增强的水基玻璃陶瓷基体材料系列。
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热性能因素
Jandin解释说，虽然所有三种Pyromeral材料都可以在1000°C以上的温度下运行不到1小时，但PyroKarb可以在200°C下提供长期（少于1,000小时）服务，而在500°C下可以提供长达100小时的服务。PyroSic可在500°C下提供长期服务，在800°C下可提供长达100小时的服务。PyroXide可在高达1,500°C的温度下提供短期服务，非常接近Ox-Ox CMC的性能，但成本较低。
Jandin说：“实际零件的热性能取决于许多因素。” “这些因素包括热量的类型（辐射，对流），是否有气流帮助冷却零件的某些区域以及所需的结构特性，例如，非结构性隔热板或半结构性零件。材料是在连续高温下还是在短时间闪蒸下工作也至关重要，”他补充说。“ PyroSic和PyroKarb与后者配合得很好，例如在1000°C下重复十分之一秒的循环，然后冷却然后重复。与金属相比，它们的低热膨胀系数（CTE）大约为3.10-6 µm / m / K，这是有利的，而金属的CTE往往大于10.10-6 µm / m / K。这些类型的金属会承受压力，以适应快速的高温热循环并由于疲劳而降解，而我们的材料则不会。”
CFRP类处理，高温应用
适形预浸料，高温零件
高温材料会形成防火的玻璃陶瓷基体。在1毫米的壁厚下，PyroSic（此处显示）可以通过航空火焰，烟雾和毒性测试，并保留90％以上的机械性能。
图片来源：Thermeral
适形预浸料，高温零件
高温材料会形成防火的玻璃陶瓷基体。在1毫米的壁厚下，PyroSic（此处显示）可以通过航空火焰，烟雾和毒性测试，并保留90％以上的机械性能。
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Jandin指出：“我们发明了在室温下为液态的基质材料，并使用浸渍机制备了预浸料。” 将预浸料铺在CF /环氧树脂工具上。他补充说：“我们不使用金属工具，因为我们的基质是碱性的，并且可能会发生反应。” “下一步是在100°C和6 bar的压力下进行高压灭菌约12小时。” 将零件脱模，然后在500-1,000°C下通过两阶段热处理独立放置，完成基体的陶瓷化，从而得到结构组件。
Pyromeral在一级方程式赛车中获得了早期成功。Jandin说：“我们的材料用于发动机和制动器周围的隔热板，温度可达到500-700°C。” “在2012-13 F1赛季中，除索伯车队外，所有汽车都使用我们的材料作为零件来引导发动机废气（800°C）。这些结构还可以抵抗排气和底盘的振动。现在，我们在F1的每场赛车中都有组件。”
“此外，我们可以将高性能绝缘材料集成到我们的材料中，以承受6毫米厚度的700°C的液滴，”他继续说道。“例如，我们制造的组件可使CF /环氧树脂制成的F1赛车变速箱（必须保持在180°C以下的温度）位于900-950°C时距涡轮增压器20毫米的范围内。” 其他应用包括符合Ariane 5运载火箭标准的PyroXide隔热板和Ariane 6的部件，以及用于大型无人机（UAV）的PyroSic排气口。
Pyromeral已与Composite Resources（美国南卡罗来纳州，洛克希尔）建立了合作伙伴关系，以扩大其在美国的市场。这些公司的规模相似，在赛车领域有着悠久的历史。“我们在零件设计和制造方面的经验是Pyromeral对化学和材料性能的关注的补充，” Composite Resources业务开发总监Melvil Clauson说。
与CMC相比，PyroSic材料可以进行更多类似于CFRP的处理，并引起了广泛的航空航天，国防，汽车和工业应用的兴趣。
图片来源：Thermeral
两家公司正在努力满足客户对更高耐热性的需求，并确定PyroXide用于天线罩和天线的高射频（RF）透明性。克劳森指出：“我们对超音速飞机以及空军以外的基础广泛的国防应用以及商用喷气发动机产生了浓厚的兴趣。”
克劳森说：“Pyromeral产品也具有前瞻性，因为它们不包含石油基物质，仅包含水作为溶剂。其他成分是矿物，这使我们能够将报废零件加工成粉末，然后再用于其他用途。”
来源：赛奥碳纤维技术
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