2024 年 10 月 11 日

 

• DLR 與手錶製造商 IWC 共同開發了一種特殊的高性能陶瓷。
• 陶瓷纖維複合材料用於手錶外殼。
• 纖維增強陶瓷非常輕，特別堅硬，可以承受較大的溫度波動。
• 該專案的經驗被納入由這種材料製成的特別小型結構的開發中 - 例如用於小型衛星的驅動器。
• 重點：太空旅行、陶瓷纖維複合材料、創新與轉移

 

纖維增強高性能陶瓷主要用於航太領域。但它們也用於運輸或能源技術。德國航空航天中心（DLR）與瑞士手錶製造商沙夫豪森IWC萬國錶共同開發了一種特殊的陶瓷纖維複合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）以及相應的製造工藝，以便將該材料用作IWC萬國錶手錶的錶殼。這使得霧面黑色錶殼特別堅硬、防刮、耐腐蝕，同時非常輕。除了這些功能優勢（例如特別堅固的邊緣）之外，外觀也起著重要作用：每個外殼都有一個不同的、有趣的表面，這是由所使用的碳纖維的單獨結構創建的。

 

技術轉移：從研究到商業的經驗和專業知識

CMC 零件的生產需要特殊的專業知識和複雜的多階段製造流程。位於斯圖加特的 DLR 建築和結構技術研究所在陶瓷纖維複合材料領域擁有豐富的專業知識：多年來一直在研究這些材料和相關的製造工藝 - 用於太空旅行，例如航天器的隔熱罩或在衛星發動機的推力室中。地球上的其他工業應用包括車輛和電梯的煞車。

「與沙夫豪森 IWC 萬國錶的技術合作是專門展示纖維增強陶瓷小型零件可行性的重要一步。研究結果有助於進一步推進材料及其製造工藝。 「許多其他航空航天應用項目都可以從中受益，例如我們進一步開發用於衛星發動機推力室的纖維陶瓷部件的工作，因為未來，越來越多的小型衛星將進入太空。」 。它們需要重量輕、耐高溫且堅固的材料。

「CMC 因其獨特的輕質和強度組合而成為一種極具吸引力的錶殼材料。然而，纖維增強陶瓷部件的生產需要深入且非常具體的專業知識。透過將 IWC 和 DLR 在各自領域的專業知識相結合，我們能夠成功地突破了以前使用如此小規模的 CMC 零件所能實現的極限。

 

製造流程高度複雜

陶瓷的製造和加工與金屬或塑膠的加工有根本的不同。 CMC 錶殼的起點是碳纖維增強的聚合物。首先將纖維切碎並用作為黏合劑的樹脂滲透。然後使用 DLR 專門針對短碳纖維開發的壓制技術生產毛坯。這盡可能地符合錶殼的輪廓。在稱為熱解的高溫過程中，該毛坯被「烘烤」並不含黏合劑。熱解發生在攝氏 1,600 度左右的溫度下，可能需要幾天的時間。結果是由多孔碳纖維增強碳製成的工件。

在下一步中，矽化、矽晶體被應用到組件上。然後在烤箱中再次加熱。在超過攝氏 1,425 度時，矽會熔化，被吸入工件的空腔中並與碳發生化學反應。這創造了一種由碳化矽陶瓷製成的新結構。現在錶殼已經非常堅硬，只能使用鑽石工具進行返工。無論是太空旅行還是手錶——精度、品質和可靠性在這兩個領域都很重要。為了在開發和生產過程中確保這一點，DLR 和 IWC 反覆檢查各個製程步驟：例如，使用電腦斷層掃描的無損檢測方法，因為 DLR 將其用作纖維增強塑膠和陶瓷結構的標準。

 

[照片]

(A) 起始材料、中間階段及成品陶瓷外殼

作為起始材料的粉碎碳纖維和聚合物（最左）、外殼毛坯（中上）、熱解後的預製外殼（右上）、矽化後的外殼（中下）、加工後的外殼完成品（右下）

(B) 準備矽化的工件

在矽化過程中，矽與碳發生化學反應，形成碳化矽陶瓷。它太硬了，只能用鑽石工具加工。

(C) 使用電腦斷層掃描測試組件

在完成各個製程步驟後，德國航太中心的研究人員使用電腦斷層掃描檢查了組件。這個過程使得人們可以在不破壞結構的情況下觀察它們的內部。

(D) 衛星推進噴嘴

憑藉 DLR 從與沙夫豪森 IWC 合作的專案中獲得的專業知識和經驗，該公司目前正在研究用於推進小型衛星的纖維陶瓷噴嘴等。這裡也需要重量輕、耐高溫、堅固的材料。