Isovota开发了二氧化硅纤维/氧化铝CERAPREG，使陶瓷基复合材料部件能够在900°C下长期使用，处理方式类似于环氧预浸料，介电性能类似于石英。

 

采用Isovota CERAPREG制造的氧化物CMC部件包括航空发动机排气混合器、陶瓷蜂窝芯板和复杂的管状结构。复合电池托盘包括有机片材、CERAPREG和压模化合物。

据报道，Isovota（奥地利维也纳-诺伊多夫）是世界上较大的飞机机舱内饰层压板生产商之一，也是全球较大的内饰预浸料供应商。该公司在三大洲的16个地点拥有1500多名员工，在浸渍、层压、压缩成型、机械加工、聚合物化学和工艺技术领域拥有专业知识。

凭借在高性能环氧树脂和酚醛树脂方面数十年的经验，能够满足飞机机舱/驾驶舱/货物应用的严格防火、防烟和毒性要求，Isovota看到了对可以在更高温度下工作的材料的不断发展的需求。“大多数传统的航空航天热固性树脂在300°C以下就会失效，”Isovota技术副总裁彼得·瓦格纳解释道。“随着电动汽车以及新的移动和空间应用的增长，我们可能会看到对能够承受高达900°C的材料的需求，但没有传统陶瓷基复合材料的高成本，后者的制造更困难、更耗时。”

 

CMC部件由CERAPREG制成。

Isovota开发了CERAPREG作为替代品，这是一种二氧化硅纤维与二氧化硅-氧化铝（氧化铝）基质的组合，使CMC部件与金属相比重量减轻，但比Nextel（3M，明尼苏达州明尼阿波利斯市，美国）或更昂贵的碳化硅纤维便宜。瓦格纳说：“用CERAPREG制成的零件的机械性能和耐温性不如SiC/SiC或碳/碳CMC高，但这种材料在需要在恶劣高温环境下持续运行的结构中提供了良好的性能，例如无人机和汽车电动汽车的排气部件或电池舱。”

二氧化硅与碳化硅和石英纤维

二氧化硅纤维主要由二氧化硅组成，而碳化硅纤维是硅和碳的化合物。瓦格纳说，后者需要漫长的制造过程，而且比二氧化硅纤维更昂贵，二氧化硅纤维更容易生产，通常使用类似于玻璃纤维生产的熔融纺丝制造。

 

由620 g/m2 CERAPREG制成的CMC零件，包括由四层和蜂窝结构制成的天线罩和由两层制成的充电架。

Isovolta在CERAPREG中使用的二氧化硅纤维也不是石英，但由于纤维的纯度>95%的二氧化硅，它们有相似之处。瓦格纳指出：“当以76.5千兆赫的频率进行测试时，我们使用的纤维的介电性能实际上低于3.0。”。“我们的Radom环氧树脂系统与二氧化硅纤维结合进行的测试显示了类似的结果，我们正在验证这两种组合在天线罩中的使用。”

他补充说，尽管二氧化硅纤维可以承受高达1600°C的一次性暴露，但在950°C以上就会开始降解。

CERAPREG是为在高达900°C的温度下长时间暴露而开发的。

Ox-Ox系统

虽然SiC/SiC材料在更高的温度下工作（例如1200-1600°C），但氧化铝基质中的氧化铝（氧化铝，Al2O3）纤维（称为Ox-Ox）通常在高达1200°C的温度下运行，但没有SiC/SiC和碳纤维/碳基质（C/C）材料可能面临的氧化降解风险。

CERAPREG也是一种Ox-Ox系统，生产氧化物CMC（OCMC），但使用二氧化硅纤维和二氧化硅-氧化铝基质。“我们设计的CERAPREG提供了多种性能，” 瓦格纳说。“这包括在900°C下的长期性能，成本更实惠，更容易处理和零件制造，以及雷达透明度。但是，如果需要在更高的温度下长期使用，那么我会考虑传统的氧化铝/氧化铝CMC。有新的公司生产氧化铝纤维，因此可用性和价格应该会下降。我们也测试和生产了氧化铝Ox-Ox CMC。”

 

用CERAPREG制成的各种形状的零件

瓦格纳描述了右侧所示的零件，其中包括用于航空航天排气系统的混合器结构、由Euro Composites（卢森堡埃希特纳赫）的生态陶瓷蜂窝制成的弯曲夹层结构和各种CMC管。“这些都是测试零件，但都显示了CERAPREG对复杂形状的能力以及良好的机械性能。”

Ox-Ox预浸料的原因和方法

为什么要卖预浸料？瓦格纳说：“因为它使公司能够更快地制造零件。”。“你可以购买氧化物纤维和织物，但你仍然需要某种基质来制造CMC，而且知道如何做到这一点的公司并不多。预浸料使制造零件变得更容易，但只有少数公司可能会销售这种材料。这些公司通常也想制造CMC零件，而Isovota纯粹是销售材料。我们告诉客户如何加工预浸料，并提供如何使用这种材料和制造简单零件的培训，但他们不必分享他们将生产什么或如何生产的任何细节。

 

该电池托盘包括有机片材基层、Cerapreg CMC中间层和压模化合物顶层。这些层在220°C的对流炉中预热，使用针夹持器转移到模具中，然后在加热的压机中成型。Cerapreg在约220°C下暴露约45分钟，并提供耐热性和阻燃性，如下所述。

他继续说道：“我们设计的预浸料是无毒的，易于处理，除了烤箱外，不需要任何特殊设备。”。（零件也可以使用如右图所示的压机制造。）“此外，熟悉聚合物复合材料预浸料的员工应该能够在没有特殊培训的情况下使用它，但我们确实会根据需要提供尽可能多的培训——无论是在我们的工厂还是在客户所在地。

瓦格纳说：“另一个问题是，如果这种预浸料是溶剂型的，可能会缩短其保质期。”。“我们的预浸料是水基的——我们确实有一种聚合物粘合剂，但它不到材料的5%。这提供了更长的保质期——目前为6个月，但可能会延长——并且不需要额外的提取设备或措施来处理挥发性有机化合物。”

该材料最初是一种水基陶瓷浆料。瓦格纳说：“然后，我们将其与二氧化硅纤维织物结合，并使用短的热处理周期来制造预浸料。”。“通常，你有一条水平或垂直的预浸料生产线，但使用陶瓷，因为它是一种水基浆料，我们实际上不想干燥它。相反，我们希望尽可能保持其湿润，以确保在运输给客户的过程中不会变干，但保持可模塑和可成形性。为了实现这一点，我们修改了生产线，以确保保持必要的含水量和机械性能。然后我们将其包装成便于客户加工的形式。”他指出，CERAPREG应储存在5-20°C的温度下，但不得冷冻。

性能、零件、未来发展

CERAPREG目前有两种标准产品，一种面料重量为600克/平方米（gsm），厚度为0.7-0.8毫米，另一种面料质量为300gsm，厚度<0.6毫米。它们的树脂密度、热和介电性能如下所示。瓦格纳说：“对于这两种材料，我们的抗拉强度至少为40兆帕，但当在纤维方向进行测试时，我们使用300gsm的材料达到了60兆帕以上，并且有一家零件制造商达到了75兆帕。”

 

600和300g/m2 CERAPREG产品共享的选定机械性能

尽管连续运行的最高温度为900°C，但瓦格纳表示，Isovota已将CERAPREG零件的测试温度降至2000°C。“我们正在继续与弗劳恩霍夫研究所和奥地利的其他研究所合作，全面表征材料在700-1000°C下的机械性能，”他解释道，“我们正在与客户分享这些数据。”

瓦格纳说，CERAPREG零件能够承受的最高温度取决于时间和负载的组合。“你的负载很小，只想有一个隔热层吗？然后你可以提高温度。对于更多的结构部件，最高温度还取决于必须承受的负载类型，例如循环、振动或冲击负载。你可以对这些进行建模，但你也必须构建和测试CMC零件。”

Isovota不仅测试材料，还测试CERAPREG零件，例如，作为汽车电动汽车应用的隔热层。瓦格纳指出：“我们也在研究eVTOL，因为在这两种情况下，它们不仅需要耐温性，还需要重量轻、强度高。”。“我们正在进行测试，模拟电池中的金属粉末作为高温弹丸喷射的热失控。在这种情况下，即使你对热量和火焰有很好的隔热性能，这些弹丸也会撞击材料并产生孔洞，从而破坏隔热性能。”

 

对粘合到CERAPREG层压板上的碳纤维复合材料层压板进行火焰测试，5分钟后无损坏。

Isovota还完成了混合动力部件的火焰测试，例如，将1毫米厚的碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板粘合到2毫米厚的CERAPREG层压板上。瓦格纳说：“我们在1200°C下进行了测试，5分钟后背面仅达到600°C，但没有明显的损坏。”。“CERAPREG提高了CFRP的热性能，但如果你想提高CERAPREG的机械性能，很容易将其粘合到氰酸酯或环氧树脂CFR上。”Isovolta还测试了1毫米和3毫米厚CERAPREG层压板的气凝胶和云母层压板。

瓦格纳说，Isovota看到了CERAPREG的许多可能性，以及利用其CMC特性的许多方法。“我们也在继续探索新的制造选择，包括热入、热出压制。”

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

杨超凡 2025.7.14