Arceon开发轻量化耐高温陶瓷基复合材料，应用于ESA项目及可重复使用火箭组件

Arceon（荷兰代尔夫特）生产一系列名为 Carbeon 的陶瓷基复合材料(CMC)，该复合材料由使用熔融渗透工艺制成的碳-碳化硅基体 (C/C-SiC) 中的未涂层碳纤维增强材料组成。首席执行官 Rahul Shirke 表示：“我们正在生产用于太空和国防应用的零件”，但他也指出了一系列其他市场的发展，包括金属处理和其他工业流程、电池外壳、摩擦和磨损应用、高精度和分析设备等。

“我们面临的两个主要挑战是使用轻质材料应对极端温度和热冲击，”Shirke 说道。“我们在 1600°C 下对 Carbeon 材料进行了 2 小时的测试，发现质量损失仅为 1%。而且，它比目前使用的金属合金轻二到四倍。此外，我们的工艺使这种 C/C-SiC 材料的孔隙率和密度最低 — 为 1.9 克每立方厘米 [g/cm 3 ]。”这种低孔隙率不仅有助于提供更好的机械性能，还能提高热防护系统 (TPS) 的性能，例如，包括必须承受重返地球大气层的烧蚀系统。“与高孔隙率相比，较低的孔隙率可提供更好的 TPS，因为高孔隙率会导致烧蚀以更快的速度发生，”Shirke 说道。

Arceon 的目标不仅是帮助实现可重复使用的太空飞行器，而且还要帮助实现用于太空通信以及地球上高温工业和运输应用的高精度组件。“我们希望利用专为极端环境下的高性能而设计的材料来推动创新。”

公司历史

Arceon 成立于 2018 年，创始人为 Rahul Shirke（首席执行官），联合创始人为 Rahul Sharma（首席运营官）和 Bernhard Heidenreich（首席技术官）。Shirke 和 Sharma 毕业于代尔夫特理工大学 (TU Delft)，而 Heidenreich 在德国航空航天中心 (DLR)结构与设计研究所 (德国斯图加特) 拥有超过 25 年的 CMC 工作经验。

这家初创公司被荷兰航天局和欧洲航天局 (ESA) 欧洲空间研究与技术中心 (ESTEC)（ESA 的技术中心，位于荷兰诺德维克）选中，参与 ESA BIC 诺德维克企业孵化计划。Arceon 于 2023 年成功从该计划毕业，并于 2023 年 3 月和 2024 年 10 月完成第一轮和第二轮融资。次月，其 CMC 材料作为欧洲材料老化 (EMA) 活动的一部分，随 NASA 的 SpaceX 第 31 次国际空间站 (ISS) 补给任务发射升空，这是 ESA 和法国航天局 (CNES) 合作开展的一项活动。

Arceon 参与多个 ESA 项目

EMA。EMA活动的 45 个样品中包含四种碳基材料。这些材料将在 Bartolomeo 上进行约 1 年的测试，Bartolomeo 是一个外部连接到国际空间站欧洲哥伦布舱的平台。样品将暴露在太空的恶劣条件下，包括辐射、真空、温度从 -150°C 突然变为 150°C 甚至太空垃圾。目标是深入了解材料在低地球轨道 (LEO) 中的老化情况。

EMA 的材料首先在模拟太空条件的 ESA ESTEC 地面测试设施中进行鉴定，但 Bartolomeo 将帮助根据真实的太空环境校准这些设施，并开展其他研究，例如分析降解机制。

“我们的材料被宣称没有可检测到的排气和可忽略不计的 ATOX [原子氧] 腐蚀材料，”Shirke 说道。“排气是材料释放材料内部元素的属性。如果光学镜上有外来粒子，那么它会影响其准确性。由于没有排气，它可以被放置在光学镜附近。”同时，他指出，Carbeon 的 ATOX 腐蚀比太空中使用的普通碳纤维增强聚合物 (CFRP) 材料低两个数量级。

用于镜子、望远镜的 CASTT。在 CASTT 项目（2024 年 6 月 - 2025 年 6 月）中，Arceon 正在与 ESA 合作，展示其 C/C-SiC 材料在未来光学/激光通信的镜子支架中的应用。“目标是通过了解 Carbeon 的热膨胀系数 [CTE] 性能和与光学镜面的行为来降低使用 Carbeon 的风险，”Shirke 说。“这包括通过进行振动测试来研究镜子和金属部件与 Carbeon 部件的组装和集成以及相对于发射负载的耐用性。”他指出，CASTT 旨在补充 EMA。

CASTT 的另一部分涉及与荷兰应用科学研究组织 (TNO，海牙) 的合作，Arceon 将在该组织设计、开发和测试 Carbeon 望远镜管结构。“该项目旨在确定我们的材料是否可以用于未来的太空望远镜，并验证其潜在优势，例如重量轻和接近零的 CTE，以避免因温度变化而导致镜子失焦。”

可重复使用火箭。Arceon于 2024 年 12 月宣布，它已被选中参与第三个 ESA 项目，这次是与主承包商 The Exploration Co.（德国慕尼黑和法国波尔多）合作。“我们将开发高推力分级燃烧发动机的组件，”Shirke 说，并补充说这是高推力可重复使用太空运输技术 (THRUST!) 项目的一部分，该项目是 ESA 的一项旨在完善可重复使用火箭技术的举措。该项目的目标是第一级或助推器的推力水平达到 500-1,500 千牛顿，未来重型运载火箭的推力水平超过 1,500 千牛顿。

Carbeon 已在火箭喷嘴中展示了其 Carbeon-UHT 材料，能够承受从室温到 2000°C 以上的突然升高并保持其结构特性。

Carboneon产品系列

通过优化材料设计和制造参数，Carbeon 可以高度定制以满足特定的应用要求。

Carbeon-HPS专为高精度系统量身定制，结合光纤架构和设计专业知识，可实现接近零的 CTE 并显著减轻重量。 光学、光机系统、医疗和分析设备、光刻、激光和校准系统。

Carbeon-UHT具有超高温耐受性和定制热导率，提供比超级合金轻 3 倍的材料，同时可在非氧化环境中承受更高的温度。 可重复使用的火箭喷嘴、热保护系统、热气衬里、窑具、工业过程装置。

Carbeon-LWR具有长期耐磨性，摩擦系数适合制动或滑动元件，密度低，便于控制快速移动或加速的部件。轴承、刹车盘/刹车片、密封圈、火车部件、电梯、风力涡轮机。

为什么要进行熔体浸润？

Shirke 解释说，行业中生产 CMC 主要采用三种工艺：化学气相渗透 (CVI)、聚合物渗透和热解 (PIP) 和熔体过滤 (MI)。“CVI 的缺点是，制造 CMC 需要近五个致密化周期（2 个月），”Shirke 说道。“此外，原材料价格昂贵，最终孔隙率超过 10%。PIP 工艺具有类似的性能和局限性。

“相反，MI 工艺只需要一个致密化周期（1 周），孔隙率仅为 1-3%，”Shirke 继续说道。“这不仅是一种更快的工艺，而且经济实惠，因为纤维上没有外来原材料和涂层。这就是我们使用 MI 的原因，也是我们设法降低成本的原因。我们希望 Carbeon 瞄准商业应用，而不仅仅是将其开发为一套高性能外来产品。”

Shirke 承认，MI 的缺点之一是在生成的 CMC 中会产生残留硅。“Carbeon 的残留硅含量不到 5%，如果需要，我们可以将其去除。”

将碳纤维涂覆在 CMC 中

在 CMC 中使用碳纤维具有吸引力，因为它在 2000°C 以上仍保持高机械性能，而且与细陶瓷纤维相比成本较低。然而，在 450°C 以上时，氧气与纤维表面发生反应，从而开始显著氧化。这会导致质量损失和纤维直径和抗拉强度下降，并且随着温度和暴露时间的增加，抗拉强度会进一步降低。因此，CMC 中使用的大多数碳纤维都需要纤维涂层来防止氧化。

这些涂层还用于提供柔软、弱结合界面，促进渐进式失效机制，从而实现 CMC 的韧性。但是，如果发生基质裂纹并到达涂层光纤，涂层和光纤就容易受到氧气侵入和氧化的影响。

热解碳 (PyC) 和氮化硼 (BN) 是 CMC 中常用的涂层，可以使用化学气相沉积 (CVD) 沉积在碳纤维上，PyC 的沉积温度为 1200-2500°C，BN 的沉积温度为 800-1200°C。然而，这些纤维涂层工艺速度慢且成本高昂。

Shirke 表示：“我们的竞争对手采用熔体渗透工艺，在渗透过程中对纤维进行涂层处理，以保护它们免受熔融硅的影响。但这些涂层会增加刚度并限制纤维的变形，从而导致设计限制。因此，我们更喜欢不带涂层的解决方案。”

流程步骤

Arceon 使用的 MI 流程包括三个步骤：

1. 制造 CFRP 部件。
2. 热解形成多孔C/C预制件。
3. 熔融硅渗透形成 C/C-SiC 复合材料。

Shirke 表示：“第一步，我们使用前体聚合物和碳纤维生产 CFRP 部件，这种聚合物是一种专有的酚醛树脂，可以实现我们的工艺。”CFRP 可以通过纤维缠绕、预浸料铺层和高压釜固化、树脂传递模塑成预制件或热压浸渍短切纤维等方式制成。

“第二步是热解，”Shirke 说道。“在此过程中，聚合物基质转化为玻璃碳基质，同时体积收缩，导致内部应力和基质裂纹的形成。由此产生的碳纤维增强碳 [C/C] 预制件具有较高的开放孔隙率，但足够稳定，可以安全处理和加工。在最后一步中，孔隙将被熔融的硅 (Si) 渗透。请注意，C/C 预制件的微观结构对于这种渗透和最终 CMC 材料的特性非常重要。它主要受纤维基质粘合 (FMB) 强度的影响，这种粘合能够在硅化过程中保护纤维免受 Si 的侵蚀，并使最终的准延展性、耐损伤的 C/C-SiC 材料成为可能。

“在第三步中，我们确切地知道需要渗透多少硅才能使碳、SiC 和基体中残余 Si 含量达到均匀分布和适当平衡。如果 Si 或 SiC 含量较高，则结果会很脆。我们知道如何避免这种情况。”

由此产生的Carbeon材料或零件看起来是金属的，但加工后会变得无光泽，这通常是确保收缩后精确的几何形状和公差所必需的。

专利设计，连接

“我们的策略不是申请专利，而是申请 Carbeon 产品的设计特色，”他解释道。他展示了一个典型的收敛-发散喷嘴（右下），采用 Arceon 的三步工艺制成。“这是一个复杂的部件，需要一次性制作。相反，我们使用简单的模具制作两个不同的锥体，并在第一步使用切碎的纤维压制成型。在第二个热解步骤之后，我们使用糊状物将两个部件连接起来，然后在最后一步将它们浸润在一起。结果是一个集成的单个部件，你再也看不到接头了。

“因此，我们正在为 Carbeon 部件设计的独特功能申请专利，其中包括我们的连接技术，”Shirke 继续说道。“这项技术效果很好，因为我们在部件中使用相同的材​​料来连接部件。这非常重要，因为这意味着接头在高温下是稳定的，因为那里没有低温粘合剂或其他材料。”

Shirke 表示，还有其他连接方法。“你可以使用粘合剂，它们与 CMC 配合得很好，但这取决于具体应用。或者，你可以将零件以几何方式锁定在一起，或者进行一些机械连接。也可以使用钎焊，但它既困难又耗时，这会增加成本。”

应用、未来增长

“我们还在考虑将我们的材料用于耐磨垫和轴承应用，”他补充道，“例如，C/C 已经在刹车片中经过了数十年的验证。我们还在与一些对电池组用 Carbeon 板材感兴趣的电动航空公司合作。如果电池着火，这里的控制规定非常严格，而我们的材料重量轻，但可以承受这种火灾的极高温度。”

目前，Arceon 正在开发的所有部件长度均不足 1 米。“我们确实拥有一条可以部署更大部件和数量的供应链，”Shirke 指出。“作为一家初创公司，我们希望将管理费用保持在较低水平，而且当地有很多公司拥有复合材料制造专业知识。因此，在必要时，我们可以租用产能。但随着公司的发展，更大尺寸和更大批量的生产能力将由公司内部承担。”

他补充说，Arceon 还在利用其 MI 工艺研究超高温 CMC (UHTCMC)。“我们的重点是让 UHTCMC 具有成本效益并易于扩大规模，”Shirke 说。“我们已经与荷兰代尔夫特理工大学启动了这个项目，预计在 2025 年晚些时候会取得第一批成果。

“我们的下一步发展是部署固体火箭发动机喷嘴，这种喷嘴在成本上可与石墨相媲美，但性能更高，”他继续说道。Arceon 于 2024 年底成功测试了用于高超音速飞行器的 Carbeon 前缘。它位于喷嘴出口 100 毫米处，经受住了温度为 1500 开尔文、速度为 2,450 米/秒、流量密度为 0.2 千克/立方米 (kg/m 3 ) 的测试环境。

“我们将制造仅需最少加工的近净成形组件，并正在与荷兰和英国的公司一起执行该项目。”事实上，Arceon 正在与欧盟和英国的多家公司合作，为下一代防御系统开发结构性 CMC 组件，作为高超音速技术和能力发展框架 (HTCDF) 的一部分。

Arceon 还向全球多个组织提供了 Carbeon 材料样品。“我们拥有出口许可证，可以运送板材和其他样品，而不需要任何设计信息，”Shirke 指出。“我们还将在 2025 年在美国设立办事处。”