亮点:热塑复材、CMC、新工艺2024巴黎国际复材展览会(JEC World)-3

本文摘要（由ai生成）：

本文主要介绍了在 JEC World 2024 展会上亮相的一些复合材料技术和产品，包括碳纤维增强热固性复材网格结构、高温材料系统、SiC 纤维和 CMC 部件、感应加热工业化等。这些技术和产品展示了在航空航天、国防、能源等领域的应用前景，特别是陶瓷基复材及工艺在特殊环境中的应用备受关注。

用于织女星 C 和卫星的干纤维/注入各向异性栅格

CIRA 还展示了用于太空应用的独特碳纤维增强热 固性复材（CFRP）网格结构，包括 Avio（意大利Colleferro）Vega C 发射器的 2/3 级间结构， 以及中型   卫星的中心体、可展开天线吊杆和锥形适配器。 2004   年， CIRA 开始使用湿法和预浸料缠绕制造网格结构。 到 2009 年， 它已经获得了一项“ 平行缠绕-parallel winding” 技术的专利，从而实现了一种高效且可扩展的方法，用于创建交错的螺旋肋和环肋的各向异性网格结构。

Vega C 发射器级间采用 CIRA 的专利工艺制造， 该工艺使用机器人缠绕来形成螺旋肋，而筒子架 进给丝束以同时交织环肋。

德 · 尼古拉说：“ 我们支持 Avio 生产 Vega C 级间 产品，并与他们合作， 在我们的实验室中使工艺成熟。 ” 。“ 我们一起在我们的设施中开发了第一批原   型机。我们花了 2 周时间绕制了直径 2.4 米、长度 2 米的织女星级间原型机。在 2018 年成功完成测试（包括  高达 750 吨的压缩载荷）后， Avio 随后生产了认证零   件。 ” 织女星 C 于 2022 年首次飞行，但由于 Zefiro 发 动机喷嘴出现故障， 第二次发射后任务暂停。织女星   C 计划在 2024 年晚些时候恢复飞行，并在 2025 年进行 密集的发射计划。 ”

使用 CIRA 专利工艺制成的复合各向异性网格 将螺旋肋和环肋交织在一起，以实现固有的损 伤容限，而不会在节点处堆积。

该技术被 CIRA 称为“ 网格平行缠绕和液体注入（ - Grid parallel winding and liquid infusion）ℽ ,使用机器人头缠绕螺旋状干纤维丝束，而筒子架同时为缠绕环肋提供丝束，因此它们是交错的。在结构边缘的心轴上的销钉可以形成环，这样就不会切割纤维。 德 · 尼古拉说：“ 我们在层压板中实现了完美的横截面。 ” 。“ 因为我们 使用干纤维代替预浸料，所以节点处没有变形和堆积。 ” 这些结构本身也具有耐损伤性。“ 我们能够将光    纤集成到晶格中，就像我们在一个 1.4 米直径、重 7 公 斤的锥形适配器演示器中所做的那样。这在以色列航    空航天工业公司进行了 80 吨的测试。对于这些干纤维  各向异性网格预成型件，我们还集成了交错的热固复    材凸缘、窗框和局部连接点，然后共同注入和固化整    个结构。我们已经成功地测试了这些局部连接件通过    肋的螺栓的承载力。”

英国定制 CMC。

高温材料系统（HTMS ，Bristol， 英国）于 2021  年成立， 在展会的启动助推器区域展出，旨在开发可 承受 300-1000°C 温度的定制氧化铝基质 CMC 材料。 迄今为止开发的产品包括：

• KappaCera： 一种新型 CMC 材料， 即使在高 温环境中也具有低介电常数，这是将先进纤  维集成到 HTMS 最先进的基质系统中并优化 整个系统内化学成分的结果。

• CarboniteX：将高强度碳纤维融入 HTMS 的 先进基体系统中，这将碳纤维基系统的操作 极限远远超出了当前的温度能力。

• PhantomWeave： 一种多功能 CMC  系统旨在 满足国防部门的复杂要求，结合了低可观测 特性和高温耐久性。

• IgniShield： 一种低密度材料，使用具有HTMS 专有基质的玄武岩编织纤维制成，专   为汽车、航空航天和能源等行业的防火/防烟/ 毒性应用而设计。

德国 SiC 纤维和 CMC 部件

BJS Ceramics 和 BJS Composites（Gersthofen，德 国）分别成立于 2014 年和 2015 年。BJS 使用专有工  艺生产自己的 SiC 纤维，品牌为 Silafil。它还使用Silafil 预陶瓷聚合物作为基质渗透碳和 SiC 纤维增强材 料，以制造 Keraman CMC 材料和零件。

“我们有一个全欧洲的供应链，”合伙人兼联合创始 人尤塔 ·舒尔（ Jutta Schull ） 说。“ 我们正在将 CMC 零   件销售到航空发动机、太空和国防应用中， 这些应用需要高强度、耐高温和热冲击。我们提供按需制造服 务以及原型和小批量生产。 ”

BJS 正在开发一种专有工艺，在浆料中使用短切    SiC 或碳纤维 3D 打印 CMC 零件。舒尔说：   “ 我们正在 研究短纤维，并朝着超长纤维的方向发展。 ”。该公司 还开发了增强金属基复合材料（MMC-metal matrix composites ） 的纤维， 例如用于减轻起落架的重量。

这些公司正在提高产能。 舒尔指出：“我们看到航 空航天和国防部门的需求增加， 但能源行业的需求也   在增， 包括核裂变和核聚变， 因为冷却泵不会出现   故障。”。“这也适用于在恶劣条件下进行水管理的泵，  如脱盐（盐）和应急泵（泥浆、淤泥）。 CMC 提供了   极致的耐用性，确保了重要基础设施的安全和持续运   行。 ”她引用了 SiC/SiC 泵轴承套的例子，该轴承套已  连续生产 25 年。

关于 CMC 部件在核能中的潜力， 尤塔 ·舒尔指 出， “CMC 可以改变游戏规则。根据我们客户的发现，由于其耐热性、高耐损伤性和抗辐射性， SiC/SiC 部件可以使聚变反应堆的发电量翻倍。当然， 这些是  长期但非常令人兴奋的开发项目。 ”

用于复合材料制造的感应加热工业化

Corebon 展示了加热外壳工具（左）及其一系 列加热电镀产品（CorePlate Adapt，右上），

Corebon（瑞典马尔默） 开发了模块化、适应性强 的感应加热技术，可以对现有生产设备进行改造，以  提高产能。它可以实现非常快速、均匀的加热，消除  长时间停留，将循环时间缩短 80%，从而节省 50-80% 的能源。该公司展示了其加热板产品、感应焊接装置  和外壳工具解决方案， 这些产品可能使用相同的电源  和控制设备。其加热板产品包括：

• CorePlate 一体式加热和冷却板（500×500 毫   米），用于集成到压力机中。以 35°C/分钟  的速度加热至 275°C，以 120°C/分的速度   冷却（与传统方法相比，加热和冷却速度分    别快 3-4 倍）。多个相邻板可用于大型零件几 何形状和多腔工具。

• CorePlate Adapt 仅在放置模具的地方使用基座 感应加热， 最高可达 220°C，最高可达50°C/分钟。定制尺寸，适合各种印刷机。 将板材装入压机，并将模具放置在每块板材 上。可根据要求提供冷却。

• CorePlate Tailor 专为每种几何形状而设计，非 常适合大批量生产， 能够以高达 100°C/分    钟的速度加热至 220°C。冷却可根据要求提  供。其加热速度是传统复合材料加工技术的   三倍。

使用 Corebon 感应加热（CorePower 设备位于Spidui 海报上方的黑色视图窗口中，如左图所示） 和九腔匹配金属模具（右图）将 TFP 预成型件（右图底部）在不到 5 分钟的时间内整合成玻 璃和碳纤维 PA6 部件的 Unwind3D 的 Spidui 成 型池。

Unwind3D （意大利瓦雷泽）是工业刺绣机供应商 ZSK（德国克雷菲尔德）的子公司。Unwind3D 与世界 各地的客户合作，为 TPC 零件的生产提供量身定制的解决方案， 这些零件得益于定制纤维铺设（TFP-tailored fiber placement） 技术的使用（由 ZSK 设备实现）。

该公司展示了使用感应加热九腔钢工具的 Spidui   成型池， 展示了带有 PA6 基质的 TPC 预成型件的快速 压缩成型循环（<5 分钟）。 Corebon 感应加热线圈位于 顶部和底部模具的每个腔中。冷却是通过水或空气实   现的。 一体化软件实现了用户友好的操作。

编译感言

本文的亮点， 亮就亮在最前沿的材料、 工艺   技术。PEKK 热塑复材是目前性能最佳的受   力结构材料。 多种 CMC 陶瓷基复材及工 艺， 展现出在特殊环境中应用的前景。 特别是其   中一些信息， 首次在网上看到。 值得同仁们   继续关注。

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原文见，《 JEC World 2024 highlights: Thermoplastic composites, CMC and novel processes  》  2024.4.10

杨超凡      2024.4.11

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