Isovota開發了二氧化硅纖維/氧化鋁CERAPREG，使陶瓷基復合材料部件能夠在900°C下長期使用，處理方式類似于環氧預浸料，介電性能類似于石英。

采用Isovota CERAPREG制造的氧化物CMC部件包括航空發動機排氣混合器、陶瓷蜂窩芯板和復雜的管狀結構。復合電池托盤包括有機片材、CERAPREG和壓?；衔?。

據報道，Isovota（奧地利維也納-諾伊多夫）是世界上較大的飛機機艙內飾層壓板生產商之一，也是全球較大的內飾預浸料供應商。該公司在三大洲的16個地點擁有1500多名員工，在浸漬、層壓、壓縮成型、機械加工、聚合物化學和工藝技術領域擁有專業知識。

憑借在高性能環氧樹脂和酚醛樹脂方面數十年的經驗，能夠滿足飛機機艙/駕駛艙/貨物應用的嚴格防火、防煙和毒性要求，Isovota看到了對可以在更高溫度下工作的材料的不斷發展的需求。“大多數傳統的航空航天熱固性樹脂在300°C以下就會失效，”Isovota技術副總裁彼得·瓦格納解釋道。“隨著電動汽車以及新的移動和空間應用的增長，我們可能會看到對能夠承受高達900°C的材料的需求，但沒有傳統陶瓷基復合材料的高成本，后者的制造更困難、更耗時。”

CMC部件由CERAPREG制成。

Isovota開發了CERAPREG作為替代品，這是一種二氧化硅纖維與二氧化硅-氧化鋁（氧化鋁）基質的組合，使CMC部件與金屬相比重量減輕，但比Nextel（3M，明尼蘇達州明尼阿波利斯市，美國）或更昂貴的碳化硅纖維便宜。瓦格納說：“用CERAPREG制成的零件的機械性能和耐溫性不如SiC/SiC或碳/碳CMC高，但這種材料在需要在惡劣高溫環境下持續運行的結構中提供了良好的性能，例如無人機和汽車電動汽車的排氣部件或電池艙。”

二氧化硅與碳化硅和石英纖維

二氧化硅纖維主要由二氧化硅組成，而碳化硅纖維是硅和碳的化合物。瓦格納說，后者需要漫長的制造過程，而且比二氧化硅纖維更昂貴，二氧化硅纖維更容易生產，通常使用類似于玻璃纖維生產的熔融紡絲制造。

由620 g/m2 CERAPREG制成的CMC零件，包括由四層和蜂窩結構制成的天線罩和由兩層制成的充電架。

Isovolta在CERAPREG中使用的二氧化硅纖維也不是石英，但由于纖維的純度>95%的二氧化硅，它們有相似之處。瓦格納指出：“當以76.5千兆赫的頻率進行測試時，我們使用的纖維的介電性能實際上低于3.0。”。“我們的Radom環氧樹脂系統與二氧化硅纖維結合進行的測試顯示了類似的結果，我們正在驗證這兩種組合在天線罩中的使用。”

他補充說，盡管二氧化硅纖維可以承受高達1600°C的一次性暴露，但在950°C以上就會開始降解。

CERAPREG是為在高達900°C的溫度下長時間暴露而開發的。

Ox-Ox系統

雖然SiC/SiC材料在更高的溫度下工作（例如1200-1600°C），但氧化鋁基質中的氧化鋁（氧化鋁，Al2O3）纖維（稱為Ox-Ox）通常在高達1200°C的溫度下運行，但沒有SiC/SiC和碳纖維/碳基質（C/C）材料可能面臨的氧化降解風險。

CERAPREG也是一種Ox-Ox系統，生產氧化物CMC（OCMC），但使用二氧化硅纖維和二氧化硅-氧化鋁基質。“我們設計的CERAPREG提供了多種性能，” 瓦格納說。“這包括在900°C下的長期性能，成本更實惠，更容易處理和零件制造，以及雷達透明度。但是，如果需要在更高的溫度下長期使用，那么我會考慮傳統的氧化鋁/氧化鋁CMC。有新的公司生產氧化鋁纖維，因此可用性和價格應該會下降。我們也測試和生產了氧化鋁Ox-Ox CMC。”

用CERAPREG制成的各種形狀的零件

瓦格納描述了右側所示的零件，其中包括用于航空航天排氣系統的混合器結構、由Euro Composites（盧森堡埃希特納赫）的生態陶瓷蜂窩制成的彎曲夾層結構和各種CMC管。“這些都是測試零件，但都顯示了CERAPREG對復雜形狀的能力以及良好的機械性能。”

Ox-Ox預浸料的原因和方法

為什么要賣預浸料？瓦格納說：“因為它使公司能夠更快地制造零件。”。“你可以購買氧化物纖維和織物，但你仍然需要某種基質來制造CMC，而且知道如何做到這一點的公司并不多。預浸料使制造零件變得更容易，但只有少數公司可能會銷售這種材料。這些公司通常也想制造CMC零件，而Isovota純粹是銷售材料。我們告訴客戶如何加工預浸料，并提供如何使用這種材料和制造簡單零件的培訓，但他們不必分享他們將生產什么或如何生產的任何細節。

該電池托盤包括有機片材基層、Cerapreg CMC中間層和壓?；衔镯攲?。這些層在220°C的對流爐中預熱，使用針夾持器轉移到模具中，然后在加熱的壓機中成型。Cerapreg在約220°C下暴露約45分鐘，并提供耐熱性和阻燃性，如下所述。

他繼續說道：“我們設計的預浸料是無毒的，易于處理，除了烤箱外，不需要任何特殊設備。”。（零件也可以使用如右圖所示的壓機制造。）“此外，熟悉聚合物復合材料預浸料的員工應該能夠在沒有特殊培訓的情況下使用它，但我們確實會根據需要提供盡可能多的培訓——無論是在我們的工廠還是在客戶所在地。

瓦格納說：“另一個問題是，如果這種預浸料是溶劑型的，可能會縮短其保質期。”。“我們的預浸料是水基的——我們確實有一種聚合物粘合劑，但它不到材料的5%。這提供了更長的保質期——目前為6個月，但可能會延長——并且不需要額外的提取設備或措施來處理揮發性有機化合物。”

該材料最初是一種水基陶瓷漿料。瓦格納說：“然后，我們將其與二氧化硅纖維織物結合，并使用短的熱處理周期來制造預浸料。”。“通常，你有一條水平或垂直的預浸料生產線，但使用陶瓷，因為它是一種水基漿料，我們實際上不想干燥它。相反，我們希望盡可能保持其濕潤，以確保在運輸給客戶的過程中不會變干，但保持可模塑和可成形性。為了實現這一點，我們修改了生產線，以確保保持必要的含水量和機械性能。然后我們將其包裝成便于客戶加工的形式。”他指出，CERAPREG應儲存在5-20°C的溫度下，但不得冷凍。

性能、零件、未來發展

CERAPREG目前有兩種標準產品，一種面料重量為600克/平方米（gsm），厚度為0.7-0.8毫米，另一種面料質量為300gsm，厚度<0.6毫米。它們的樹脂密度、熱和介電性能如下所示。瓦格納說：“對于這兩種材料，我們的抗拉強度至少為40兆帕，但當在纖維方向進行測試時，我們使用300gsm的材料達到了60兆帕以上，并且有一家零件制造商達到了75兆帕。”

600和300g/m2 CERAPREG產品共享的選定機械性能

盡管連續運行的最高溫度為900°C，但瓦格納表示，Isovota已將CERAPREG零件的測試溫度降至2000°C。“我們正在繼續與弗勞恩霍夫研究所和奧地利的其他研究所合作，全面表征材料在700-1000°C下的機械性能，”他解釋道，“我們正在與客戶分享這些數據。”

瓦格納說，CERAPREG零件能夠承受的最高溫度取決于時間和負載的組合。“你的負載很小，只想有一個隔熱層嗎？然后你可以提高溫度。對于更多的結構部件，最高溫度還取決于必須承受的負載類型，例如循環、振動或沖擊負載。你可以對這些進行建模，但你也必須構建和測試CMC零件。”

Isovota不僅測試材料，還測試CERAPREG零件，例如，作為汽車電動汽車應用的隔熱層。瓦格納指出：“我們也在研究eVTOL，因為在這兩種情況下，它們不僅需要耐溫性，還需要重量輕、強度高。”。“我們正在進行測試，模擬電池中的金屬粉末作為高溫彈丸噴射的熱失控。在這種情況下，即使你對熱量和火焰有很好的隔熱性能，這些彈丸也會撞擊材料并產生孔洞，從而破壞隔熱性能。”

對粘合到CERAPREG層壓板上的碳纖維復合材料層壓板進行火焰測試，5分鐘后無損壞。

Isovota還完成了混合動力部件的火焰測試，例如，將1毫米厚的碳纖維增強聚合物（CFRP）層壓板粘合到2毫米厚的CERAPREG層壓板上。瓦格納說：“我們在1200°C下進行了測試，5分鐘后背面僅達到600°C，但沒有明顯的損壞。”。“CERAPREG提高了CFRP的熱性能，但如果你想提高CERAPREG的機械性能，很容易將其粘合到氰酸酯或環氧樹脂CFR上。”Isovolta還測試了1毫米和3毫米厚CERAPREG層壓板的氣凝膠和云母層壓板。

瓦格納說，Isovota看到了CERAPREG的許多可能性，以及利用其CMC特性的許多方法。“我們也在繼續探索新的制造選擇，包括熱入、熱出壓制。”

原文，《A different Ox-Ox prepreg for faster, more affordable CMC options》 2025.7.9

楊超凡 2025.7.14