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。
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。”
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。
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。 ”
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。
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
亮点:热塑复材、CMC、新工艺2024巴黎国际复材展览会(JEC World)-1
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