連續(xù)氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)，涉及一種連續(xù)氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗氧化、可靠性好等特點，是高性能航空發(fā)動機(jī)材料的發(fā)展方向。其中，陶瓷基復(fù)合材料(CMC)是一種使用溫度較高(1650°C )而密度較低(2.5g/cm3?3.3g/cm3)的結(jié)構(gòu)材料，其有望替代密度大于8.0g/cm3的鎳基或單晶鎳合金作為發(fā)動機(jī)的燃燒室、火焰穩(wěn)定器、內(nèi)錐體、尾噴管、蝸輪外環(huán)以及高壓渦輪、低壓渦輪等部件。與已在航空發(fā)動機(jī)上成功地通過了演示驗證的SiCf/SiC復(fù)合材料相比，氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料的抗氧化性能更好、成本更低，其有可能在1 000°C?1 300°C的燃?xì)猸h(huán)鏡中長期使用。目前美國已把氧化物CMC作為重點發(fā)展項目。
[0003]目前氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料的制備通常采用水基料漿浸漬工藝或溶膠-凝膠工藝。其中水基料漿浸漬工藝的料漿是由水和少量有機(jī)分散劑作為預(yù)混液，加入陶瓷粉體混合制成料漿，然后將料漿通過真空浸漬或加壓浸漬纖維織物或纖維預(yù)制體的方法獲得復(fù)合材料預(yù)成型體，最后對預(yù)成型體燒結(jié)，從而獲得復(fù)合材料。該工藝有兩個至今無法解決的最大缺點，第一，浸漬過程中，由于陶瓷原料以“粉體顆?！钡男问酱嬖?，在浸漬過程中，料漿中的陶瓷粉體顆粒無法進(jìn)入纖維束內(nèi)，而只能停留在纖維束表面，纖維束的這種“過濾”作用造成顆粒堆積在纖維束周圍，形成基體不同區(qū)域的密度梯度，從而降低復(fù)合材料的性能。
[0004]溶膠-凝膠法中粉體顆粒是以納米顆粒的形式懸浮在溶液中，浸漬過程不會出現(xiàn)密度梯度的問題，而且燒結(jié)溫度相對更低，在這兩方面較料漿浸漬法更有優(yōu)勢。但是，溶膠-凝膠法制備的前驅(qū)體酸堿性強(qiáng)，易腐蝕纖維及設(shè)備，過強(qiáng)的酸堿性甚至?xí)估w維在浸漬溶膠之后產(chǎn)生粉化，無法起到增強(qiáng)增韌的作用。此外，溶膠的陶瓷含量低，需多次反復(fù)浸漬，且溶膠穩(wěn)定性差，易沉降和析出，不易儲存。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種低溫、快速制備連續(xù)氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料的方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:該方法的操作步驟如下:
[0007](1)料漿的制備
[0008]將氧化物陶瓷粉體、氧化物陶瓷有機(jī)先驅(qū)體溶液、有機(jī)溶劑，按重量比例置于球磨罐中球磨混合均勻，其中，氧化物陶瓷粉體為40wt%? 80wt%，有機(jī)氧化物陶瓷前驅(qū)體為10wt %?50wt %，有機(jī)溶劑為10wt %?40wt %，獲得氧化物陶瓷粉體分散均勻的有機(jī)料漿；
[0009](2)連續(xù)氧化物纖維預(yù)浸料制備
[0010]將連續(xù)氧化物纖維進(jìn)行編織成二維織物，再根據(jù)構(gòu)件尺寸要求，預(yù)先裁好一定尺寸大小的上述氧化物纖維織物，將步驟(1)中制備的有機(jī)料漿均勻涂刷于氧化物纖維織物表面，并將涂有料漿的纖維織物置于真空烘箱中進(jìn)行除溶劑處理，待纖維織物表面料漿干燥后即獲得預(yù)浸料；
[0011](3)低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體的制備
[0012]將上述預(yù)浸料置于模具中疊層，疊層的層數(shù)根據(jù)氧化物纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)來確定，氧化物纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)控制在10%?50%，疊層完畢并合模后于真空壓機(jī)中進(jìn)行模壓處理，然后將模壓后的預(yù)成型體在裂解爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度在700°C?1400°C，熱處理時間為0.5-4小時，最終獲得低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體；
[0013](4)氧化物陶瓷基復(fù)合材料基體致密化
[0014]根據(jù)構(gòu)件的性能要求，利用上述有機(jī)氧化物陶瓷前驅(qū)體溶液對步驟(3)中獲得的低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體進(jìn)行反復(fù)浸漬-熱處理工藝，每次浸漬時間為ι-?ο小時，熱處理溫度在700°C?1400°C，直至獲得理想致密度陶瓷基復(fù)合材料，基體致密化過程的反復(fù)浸漬熱處理次數(shù)為3-10次。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0016]第一，該發(fā)明首先將含有陶瓷粉體的料漿以涂刷的方式制備預(yù)浸料，避免引起類似水基料漿浸漬工藝過程中存在的纖維“過濾”陶瓷粉體的作用。此外，在低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體致密化的過程采用的是有機(jī)先驅(qū)體浸漬工藝，有機(jī)先驅(qū)體只含有液體，因此更容易滲入空隙中，包括纖維束內(nèi)。從而避免了基體的密度梯度。
[0017]第二，該發(fā)明采用的有機(jī)先驅(qū)體為中性“溶液”，可以避免類似溶膠凝膠工藝中由于酸堿性造成的纖維強(qiáng)度下降或粉化。從而可以發(fā)揮纖維增強(qiáng)體的最大效能。
[0018]第三，該發(fā)明采用有機(jī)陶瓷先驅(qū)體為部分原料，有機(jī)先驅(qū)體在涂刷過程中可以起到粘結(jié)陶瓷粉體的作用，同時陶瓷先驅(qū)體在高溫?zé)崽幚淼倪^程是一個從有機(jī)到無機(jī)的轉(zhuǎn)化過程，通常熱處理溫度低于陶瓷粉體或溶膠凝膠的燒結(jié)溫度，因此有利于保護(hù)纖維不受熱損傷，保持增強(qiáng)體纖維的強(qiáng)度，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。
[0019]第三，本發(fā)明可以通過纖維的層數(shù)及鋪層方式控制纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)含量，可以通過基體致密化過程中的浸漬次數(shù)控制基體的致密化程度，因此該發(fā)明對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，可達(dá)到不同的材料性能，實現(xiàn)不同工況條件要求的復(fù)合材料制備。
[0020]第四，本發(fā)明通過漿料制備預(yù)浸料獲得低孔隙率預(yù)成型坯體的方式即有利于防止復(fù)合材料制備過程中由于收縮過大而引起坯體的變形和開裂，又可以實現(xiàn)復(fù)合材料的精確定型，同時，減少反復(fù)浸漬次數(shù)，縮短制備周期。在采用相同陶瓷前驅(qū)體的條件下，采用本發(fā)明制備的復(fù)合材料預(yù)成型坯體進(jìn)行首次熱處理后，復(fù)合材料致密度達(dá)到65 %以上，經(jīng)過5輪次浸漬和熱處理之后復(fù)合材料密度可達(dá)90%以上。而采用傳統(tǒng)的PIP工藝，經(jīng)過16-18次浸漬裂解工藝后復(fù)合材料致密度才能達(dá)到90 %，可見本發(fā)明可大幅度縮短制備周期。
【具體實施方式】
[0021]該方法的操作步驟如下:
[0022](1)料漿的制備
[0023]將氧化物陶瓷粉體、氧化物陶瓷有機(jī)先驅(qū)體溶液、有機(jī)溶劑，按重量比例置于球磨罐中球磨混合均勻，其中，氧化物陶瓷粉體為40wt%? 80wt%，有機(jī)氧化物陶瓷前驅(qū)體為10wt %?50wt %，有機(jī)溶劑為10wt %?40wt %，獲得氧化物陶瓷粉體分散均勻的有機(jī)料漿；
[0024](2)連續(xù)氧化物纖維預(yù)浸料制備
[0025]將連續(xù)氧化物纖維進(jìn)行編織成二維織物，再根據(jù)構(gòu)件尺寸要求，預(yù)先裁好一定尺寸大小的上述氧化物纖維織物，將步驟(1)中制備的有機(jī)料漿均勻涂刷于氧化物纖維織物表面，并將涂有料漿的纖維織物置于真空烘箱中進(jìn)行除溶劑處理，待纖維織物表面料漿干燥后即獲得預(yù)浸料；
[0026](3)低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體的制備
[0027]將上述預(yù)浸料置于模具中疊層，疊層的層數(shù)根據(jù)氧化物纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)來確定，氧化物纖維在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)控制在10%?50%，疊層完畢并合模后于真空壓機(jī)中進(jìn)行模壓處理，然后將模壓后的預(yù)成型體在裂解爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度在700°C?1400°C，熱處理時間為0.5-4小時，最終獲得低孔隙率陶瓷基復(fù)合材料預(yù)成型體；
[0028](4)氧化物陶瓷基復(fù)合材料基體致密化
[0029]根據(jù)構(gòu)件的性能要求，利用上述有機(jī)氧化物陶瓷前驅(qū)體溶