英國(guó)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)一種基于SiC的陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)

CICSiC項(xiàng)目成功開發(fā)了基于SiC的CMC的均勻、連續(xù)涂層相關(guān)的設(shè)備和加工技術(shù)，以降低成本并提高新設(shè)計(jì)和應(yīng)用的性能和可靠性。

AMRC技術(shù)研究員Steffan Lea在3D織機(jī)上加工碳化硅纖維。

圖片來源：AMRC

謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心 (AMRC) 與Archer Technicoat Limited (ATL)、TISICS Metal Composites以及Cygnet Texkimp合作開展了“碳化硅 (SiC) 復(fù)合材料的連續(xù)界面涂層”（簡(jiǎn)稱CICSiC）的項(xiàng)目。

該項(xiàng)目的重點(diǎn)是碳化硅基陶瓷基復(fù)合材料 (CMC)的制造路線，這種材料特別適用于高達(dá)2000攝氏度的高溫應(yīng)用，例如航空航天、太空和核能等領(lǐng)域。該項(xiàng)目的交付建立在 AMRC 作為這些材料制造研究的全國(guó)領(lǐng)先中心地位之一的聲譽(yù)之上。

纖維增強(qiáng)材料和基體之間的界面是 CMC 的關(guān)鍵組成部分。該項(xiàng)目旨在開發(fā)在 SiC 纖維上均勻、連續(xù)地涂覆界面的設(shè)備和加工技術(shù)，以便更精確地指定基于 SiC 的 CMC 的機(jī)械性能，以增強(qiáng)其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

這有助于開發(fā)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，以顯著減輕重量、降低冷卻要求并減少飛機(jī)排放，從而減少對(duì)環(huán)境的影響。

“基于 SiC 的陶瓷基復(fù)合材料是一種很有前途的材料，適用于包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的許多極端環(huán)境應(yīng)用，” ATL 的技術(shù)經(jīng)理Ryan Skillett說?！癈ICSiC 項(xiàng)目啟動(dòng)了制造這些高價(jià)值材料的新方法的開發(fā)，旨在同時(shí)降低成本、提高性能和可靠性?！?/p>

該項(xiàng)目旨在開發(fā)一種新的卷對(duì)卷涂層技術(shù)，以取代目前的批量涂層方法，將相間涂層應(yīng)用于 CMC。在批量涂覆方法中，預(yù)制體由一步處理的未涂覆纖維制成，因此難以確保以相同的精度均勻覆蓋預(yù)制體的所有區(qū)域。新方法使用卷對(duì)卷工藝來涂覆層間膜，材料從其原始線軸纏繞到新線軸上，確保了涂層的均勻性。由于該材料仍在線軸上，因此可以很容易地用于纖維加工技術(shù)。這就允許使用均勻的相間涂層形成更加復(fù)雜的形狀。

Ryan說該項(xiàng)目的結(jié)果引起了國(guó)際專家的興趣。他補(bǔ)充道：“該項(xiàng)目致力于創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)的纖維涂層系統(tǒng)，以與現(xiàn)有的基于批處理的技術(shù)協(xié)調(diào)工作，并在此過程中尋求解決該產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的一些主要障礙。該項(xiàng)目的成果引起了國(guó)際材料專家的興趣，使我們相信它擁有非常光明的未來。”

AMRC 在該項(xiàng)目中的作用主要集中于 SiC 纖維的工業(yè)規(guī)模加工上，以生產(chǎn)更復(fù)雜的預(yù)制件。加工這種纖維的能力是實(shí)現(xiàn)這種材料潛力的關(guān)鍵。在編織和定制纖維放置 (TFP) 等加工技術(shù)中使用 SiC 纖維對(duì)于建立對(duì)這些材料處理的信心非常重要，以便將其應(yīng)用于工業(yè)，并了解當(dāng)前的加工限制。

處理纖維的工作是在購買的 SiC 以及 ATL 提供的經(jīng)過涂層程序的 SiC 上進(jìn)行的，以便了解加工要求、限制和輸出質(zhì)量的差異。

Nicalon 纖維（帶圓圈）在由 12K PAN 纖維組成的 8 層正交 3D 機(jī)織紡織品中用作接結(jié)紗。

圖片來源：AMRC

“許多關(guān)注高溫應(yīng)用的行業(yè)都對(duì)碳化硅復(fù)合材料 (SiC-SiC) 感興趣，”AMRC 復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)的技術(shù)研究員Steffan Lea說?！袄眠B續(xù)碳化硅纖維生產(chǎn)更復(fù)雜的預(yù)制件的能力將使這種高性能陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 的新設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為可能?！?/p>

Steffan 說 AMRC 對(duì)如何加工 SiC 纖維的理解已經(jīng)有所發(fā)展。他補(bǔ)充道：“在 CICSiC 項(xiàng)目期間，AMRC 對(duì)如何在工業(yè)規(guī)模的機(jī)器上加工 SiC 纖維有了熟悉的認(rèn)知。我們對(duì)如何在織機(jī)上加工SiC纖維以生產(chǎn)3D編織預(yù)成型的知識(shí)，使生產(chǎn)具有更高復(fù)雜性的統(tǒng)一預(yù)成型產(chǎn)品成為可能。使用 Nicalon 定制纖維放置(TFP) 使我們能夠有效地利用材料，僅將其放置在需要的地方，并控制纖維的路徑以充分利用其性能?！?/p>

范堡羅航空航天聯(lián)盟(Farnborough Aerospace Consortium) 的國(guó)家航空航天技術(shù)開發(fā)計(jì)劃 (NATEP) 技術(shù)經(jīng)理Kevin Morris表示，該項(xiàng)目已被證明是一次“非常成功”的合作，并且在 NATEP 的資助下交付了“一個(gè)成功的項(xiàng)目”。

他補(bǔ)充道：“CICSiC 項(xiàng)目本身能夠開發(fā)與碳化硅纖維連續(xù)涂層相關(guān)的創(chuàng)新方法，并展示如何克服問題，為未來飛機(jī)更高效的推進(jìn)系統(tǒng)鋪平道路，實(shí)現(xiàn)NATEP計(jì)劃的目標(biāo)。”

Ryan贊揚(yáng)了AMRC對(duì)該項(xiàng)目的貢獻(xiàn)，并補(bǔ)充道：“AMRC在處理涂層和非涂層形式的纖維方面提供了關(guān)鍵的見解和經(jīng)驗(yàn)。如果沒有它的投入，CICSiC 項(xiàng)目就不會(huì)如此成功，下一代設(shè)備也不會(huì)獲得如此多的關(guān)注。”

Cygnet Texkimp公司的工藝開發(fā)總監(jiān) Andy Whitham 說：“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們了解到處理非常脆弱的陶瓷纖維所面臨的挑戰(zhàn)。它們的某些特性非比尋常，因此親身體驗(yàn)使用它們所觸及的困難非常寶貴。除此之外，與新伙伴的合作，也為我們對(duì)可能為特定應(yīng)用提供的機(jī)械提出不同的想法?！?/p>

CICSiC 項(xiàng)目展示了 AMRC 復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)所做的出色工作及其在 SiC-SiC 復(fù)合材料領(lǐng)域的活動(dòng)。它促進(jìn)并加速了英國(guó)供應(yīng)鏈中先進(jìn)材料技術(shù)和高強(qiáng)度、高溫材料（如陶瓷基復(fù)合材料）的開發(fā)和制造。

CICSiC 由國(guó)家航空航天技術(shù)開發(fā)計(jì)劃 (NATEP) 資助，該計(jì)劃耗資1500萬英鎊，旨在在英國(guó)航空航天供應(yīng)鏈中開發(fā)60項(xiàng)航空航天技術(shù)。該項(xiàng)目由航空航天技術(shù)研究所資助并由 ADS 管理，旨在幫助中小型企業(yè)開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，以增強(qiáng)其能力并增加其贏得新業(yè)務(wù)的能力。

審核編輯 ：李倩