弥合 CFRP 和 CMC 之间的差距

在高于 500°F/230°C 的工作温度下实现高性能结构的材料是有限的。选项基本上是钛等金属和铬镍铁合金、聚酰亚胺 (PI) 或陶瓷基复合材料 (CMC) 等合金。所有这些都比传统的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料昂贵得多，但 CMC 因其密度低而引起了人们的兴趣——大约是 Inconel 的三分之一和钛的二分之一。根据美国陶瓷学会公报 2019 年 4 月的一篇文章，CMC 的缺点是制造零件所需的处理时间很长——只有短短 30 天 .

然而，Pyromeral（法国巴贝里）开发了一系列产品来弥补这一差距，提供高达 1,500°C 的性能，其加工更类似于 CFRP，可在大约一周内生产零件。 Pyromeral 的销售和营销总监 Guillaume Jandin 解释说：“我们开发了新的化学物质，可以使用连续纤维增强先进的玻璃陶瓷基体，而无需冗长的熔体渗透步骤。”该公司提供分别用高模量碳、碳化硅和氧化铝纤维增强的 PyroKarb、PyroSic 和 PyroXide 材料，通常采用二乘二斜纹织物的形式，从而形成纤维体积分数 (FVF) 为 50 的复合材料%。

热性能因素

Jandin 解释说，虽然所有三种 Pyromeral 材料都可以在 1000°C 以上运行不到 1 小时，但 PyroKarb 在 200°C 下提供长期（不到 1,000 小时）服务，在 500°C 下提供长达 100 小时的服务。 PyroSic 在 500°C 下提供长期服务，在 800°C 下提供长达 100 小时的服务。 PyroXide 可提供高达 1,500°C 的短期服务，非常接近 Ox-Ox CMC 的性能，但成本更低。

“实际零件的热性能取决于许多因素，”Jandin 说。 “这些包括热量的类型（辐射、对流）、是否有气流帮助冷却部件的某些区域，以及所需的结构特性——例如，非结构隔热罩或半结构部件。材料是在持续高温下工作还是在短时间闪光下工作也很关键，”他补充道。 “PyroSic 和 PyroKarb 与后者配合得很好，例如 1000°C 的重复循环持续十分之一秒，冷却然后重复。它们的热膨胀系数 (CTE) 低，约为 3.10 ^-6 与金属相比，µm/m/K 是一个优势，金属的 CTE 往往大于 10.10 ^-6 微米/米/K。这些类型的金属会产生应力以适应快速的高温热循环和因疲劳而降解，而我们的材料则不会。”

CFRP 类加工、高温应用

“我们发明了在室温下为液态的基质材料，并使用浸渍机制造预浸料，”Jandin 指出。预浸料铺在 CF/环氧树脂工具上。 “我们不使用金属工具，因为我们的基质是碱性的，可能会发生反应，”他补充道。 “下一步是在 100°C 和 6 bar 下高压灭菌大约 12 小时。”零件脱模，然后独立进行，在 500-1,000°C 下通过两阶段热处理完成基体的陶瓷化，从而形成结构部件。

Pyromeral 在一级方程式赛车中取得了早期的成功。 “我们的材料用于发动机周围和制动器周围的隔热罩，温度可达 500-700°C，”Jandin 说。 “在 2012-13 F1 赛季期间，除索伯之外的每一辆车都使用我们的零件材料来引导发动机废气（800°C）。这些结构还可以抵抗来自排气和底盘的振动。我们现在在 F1 的每辆赛车上都有组件。”

“此外，我们可以将高性能绝缘材料集成到我们的材料中，以 6 毫米的厚度承受 700°C 的下降，”他继续说道。 “例如，我们制造的部件使由 CF/环氧树脂制成的 F1 赛车变速箱（必须保持在 180°C 以下）在 900-950°C 时位于涡轮增压器 20 毫米范围内。”其他应用包括符合 Ariane 5 要求的 PyroXide 隔热罩 Ariane 6 的运载火箭和部件 ，以及用于大型无人机（UAV）的 PyroSic 排气口。

Pyromeral 已与 Composite Resources（美国南卡罗来纳州罗克希尔）合作，以扩大其在美国的市场（参见“构建复合材料制造市场”）。两家公司规模相似，在赛车方面有着悠久的历史。 “我们在零件设计和制造方面的经验与 Pyromeral 对化学和材料性能的关注相辅相成，”Composite Resources 业务发展总监 Melvil Clauson 说。

两家公司正在努力满足客户对更高耐温性的需求，并表征 PyroXide 用于天线罩和天线的高射频 (RF) 透明度。 Clauson 指出：“我们看到了人们对超音速飞机和空军以外非常广泛的国​​防应用以及商用喷气发动机的兴趣。

“Pyromeral 产品也具有前瞻性，”Clauson 说，“因为它们不含石油基物质——只有水作为溶​​剂。其他成分是矿物质，使我们能够将报废部件加工成可在其他应用中重复使用的粉末。”