專利名稱：連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
在復(fù)合材料體系中，纖維增強聚合物基復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用，但是由于 聚合物是由碳氫氧組成，耐熱性差，這嚴重限制了復(fù)合材料的使用溫度。陶瓷 材料有強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、有很好的耐磨性和耐化學腐蝕性以 及線膨脹系數(shù)小、密度低等一系列優(yōu)點，但是陶瓷材料的脆性大、塑韌性差導(dǎo) 致了其在使用過程中可靠性差，制約了它的應(yīng)用范圍，而纖維增強陶瓷基復(fù)合 材料一方面克服了陶瓷材料脆性斷裂的缺點，另一方面保持了陶瓷本身的優(yōu) 點。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能得到廣泛的應(yīng)用，但是纖維增強 復(fù)合材料的研究還處于起步階段，現(xiàn)有已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用的制備方法都存在著各自 的問題，目前纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備方法主要有兩種料漿浸漬熱壓 燒結(jié)法和先驅(qū)體浸漬燒結(jié)法，前者制備過程中的高溫操作會弱化纖維性能不易 制作復(fù)雜形狀構(gòu)件，而后者雖然可制成復(fù)雜形狀的構(gòu)件，但在制備過程中需要 在高溫高壓下進行，制備工藝復(fù)雜、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有方法制備出的無機聚合物基復(fù)合材料耐熱性差以及 現(xiàn)有的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備方法不易制成復(fù)雜形狀構(gòu)件、制備工藝 復(fù)雜、成本高的問題，而提供了連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法。
連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進行一、
高嶺土在700 80(TC條件下煅燒1.5 2.5h得到偏高嶺土； 二、偏高嶺土與質(zhì)量 濃度為46 62%的硅酸鹽溶液按照重量比為1: 1.5 5.5的比例混合制得無機聚 合物基體，然后向無機聚合物基體中加入陶瓷顆?；旌系玫綗o機聚合物配合
料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆粒重量比為1: 0.1 1;三、將連續(xù)纖維單向
織物加入到無機聚合物配合料中超聲振蕩5 12min，即制得預(yù)浸料；四、將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在50 90。C條件下固化20 120min;五、將步驟四 產(chǎn)物在真空或者惰性氣體保護下進行高溫處理，處理溫度為800 1300°C，處 理時間為30 120min，即得到連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。
本發(fā)明采用超聲的方法制備連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料與其他 的陶瓷基復(fù)合材料相比，無機聚合物在低于IOO(TC的溫度下即可實現(xiàn)陶瓷化， 對連續(xù)纖維沒有熱物理損傷，不改變纖維的性能，在成型過程中可使用復(fù)雜型 狀的磨具，制成復(fù)雜形狀構(gòu)件，且本發(fā)明復(fù)合材料的成型過程是在低溫下進行， 便于操作和控制，與現(xiàn)有的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備方法相比較，本發(fā) 明方法不需要在高溫高壓下進行，制備工藝簡單，減少了能耗，制作成本低， 本發(fā)明制作的復(fù)合材料經(jīng)低溫固化后可以制備出具有較高比強度的復(fù)合材料， 經(jīng)高溫處理后可進一步提高復(fù)合材料性能，與現(xiàn)有的纖維增強聚合物基復(fù)合材 料相比，耐熱性好，本發(fā)明制作的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料密度為 1.6 1.9g'cm入三點彎曲強度為160 260MPa、斷裂功為40~55KJ'm-2，可在 IOO(TC穩(wěn)定使用。
具體實施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方 式間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備 方法按照以下步驟進行 一、高嶺土在700 80(TC條件下煅燒1.5 2.5h得到偏 高嶺土； 二、偏高嶺土與質(zhì)量濃度為46~62%的硅酸鹽溶液按照重量比為1: 1.5~5.5的比例混合制得無機聚合物基體，然后向無機聚合物基體中加入陶瓷 顆?；旌系玫綗o機聚合物配合料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆粒重量比為 1: 0.1~1;三、將連續(xù)纖維單向織物加入到無機聚合物配合料中超聲振蕩
5-12min，即制得預(yù)浸料；四、將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在50 90。C條 件下固化20 120min;五、將步驟四產(chǎn)物在真空或者惰性氣體保護下進行高溫 處理，處理溫度為800~1300°C，處理時間為30 120min，即得到連續(xù)纖維增 強無機聚合物基復(fù)合材料。
本實施方式步驟四中的模具可根據(jù)所需要構(gòu)件的形狀進行設(shè)計，如圓型、 多邊型等。本實施方式制備的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料密度為
1.6-1.9g.cm-3、三點彎曲強度為160 260MPa、斷裂功為40~55KJ.m-2，可在 IOO(TC穩(wěn)定使用。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中高嶺土 在720 76(TC條件下煅燒1.8 2.2h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中所 述硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鉀、硅酸鈉或硅酸銫。其它步驟及參數(shù)與具體 實施方式一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三不同的是步驟二中的陶瓷
顆粒為氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鋯、莫來石、碳化硅或氮化硅。其它步 驟及參數(shù)與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二陶瓷顆粒
的直徑為0.5~5mm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一、二、四或五不同的是步
驟三超聲振蕩6 10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一、二、四或五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三超聲振蕩
的頻率為15 50KHz。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一、二、四、五或七不同的
是步驟三中的連續(xù)纖維為碳纖維、碳化硅纖維、鋼纖維或氧化鋁纖維。其它步
驟及參數(shù)與具體實施方式
一、二、四、五或七相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一、二、四、五或七不同的
是步驟五中惰性氣體為氮氣或氬氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一、二、 四、五或七相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
八不同的是步驟五中處理溫 度為900~1200°C，處理時間為50 100min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
八相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中高嶺 土在750。C條件下煅燒2h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中高嶺土在76(TC條件下煅燒2.1h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
三不同的是步驟二中所述 硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鉀。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
三不同的是步驟二中所述
硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸銫。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
三不同的是步驟二中所述 硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鈉。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二中的陶 瓷顆粒為氧化硅。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二中的陶 瓷顆粒為氮化硅。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二中的陶 瓷顆粒為莫來石。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三超聲振
蕩8 10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
二十本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三超聲步
驟二中的9min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
二十一本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三超聲 步驟二中的10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
二十二本實施方式與具體實施方式
七不同的是步驟三超聲
振蕩的頻率為20KHz。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
二十三本實施方式與具體實施方式
七不同的是步驟三超聲 振蕩的頻率為25KHz。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
二十四本實施方式與具體實施方式
七不同的是步驟三超聲
振蕩的頻率為45KHz。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
二十五本實施方式與具體實施方式
八不同的是步驟五中惰
性氣體為氬氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
八相同。
具體實施方式
二十六本實施方式與具體實施方式
八不同的是步驟五中惰 性氣體為氮氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
八相同。
具體實施方式
二十七本實施方式與具體實施方式
九同的是步驟五中燒結(jié)
溫度為900，處理時間為100min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
二十八本實施方式與具體實施方式
九不同的是步驟五中燒 結(jié)溫度為IOO(TC，處理時間為70min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
二十九本實施方式與具體實施方式
九不同的是步驟五中燒 結(jié)溫度為1200。C，處理時間為50min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
三十本實施方式與具體實施方式
一不同的是本實施方式連 續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進行 一、高嶺土 在800'C條件下煅燒2h得到偏高嶺土； 二、偏高嶺土與質(zhì)量濃度為50%的硅 酸鹽溶液按照重量比為1: 4混合制得無機聚合物基體，然后向無機聚合物基 體中加入陶瓷顆?；旌系玫綗o機聚合物配合料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆 粒重量比為1: 0.5;三、將連續(xù)纖維單向織物加入到無機聚合物配合料中超聲 振蕩10min，即制得預(yù)浸料；四、將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在70'C條件 下固化80min;五、將步驟四產(chǎn)物在真空或者惰性氣體保護下進行高溫處理， 處理溫度為1000°C，處理時間為70min,即得到連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù) 合材料。
本實施方式步驟二中所述的硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鉀、硅酸鈉或硅 酸銫。
本實施方式步驟二中的陶瓷顆粒為氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鋯、莫 來石、碳化硅或氮化硅。
本實施方式步驟二陶瓷顆粒的直徑為0.5~5mm。
本實施方式步驟三中的連續(xù)纖維為碳纖維、碳化硅纖維、鋼纖維或氧化鋁 纖維。
本實施方式步驟三超聲振蕩的頻率為15 50KHz。
本實施方式步驟四中的模具可根據(jù)所需要構(gòu)件的形狀進行設(shè)計，如圓型、 方型等。
本實施方式步驟五中惰性氣體為氮氣或氬氣。
本實施方式制備的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料密度為 1.6-1.9g.cm-3、三點彎曲強度為160~260MPa、斷裂功為40 55KJ'm-2，可在
8IOOO'C穩(wěn)定使用。
具體實施方式
三十一本實施方式連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的
制備方法按照以下步驟進行 一、高嶺土在70(TC條件下煅燒2.5h得到偏高嶺 土； 二、偏高嶺土與質(zhì)量濃度為58%的硅酸鈉溶液按照重量比為1: 2.5的比 例混合制得無機聚合物基體，然后向無機聚合物基體中加入氮化硅混合得到無 機聚合物配合料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆粒重量比為1: 0.6;三、將碳 纖維單向織物加入到無機聚合物配合料中超聲振蕩12min，即制得預(yù)浸料；四、 將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在80'C條件下固化40min;五、將步驟四產(chǎn)物 在氬氣保護下進行高溫處理，處理溫度為1200°C，處理時間為60min，即得到 連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。
本實施方式步驟四中的模具可根據(jù)所需要構(gòu)件的形狀進行設(shè)計，如圓型、 方型等。
本實施方式制作的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料密度為 1.58g.cm-3、三點彎曲強度為133MPa、斷裂功為3.8KJ.m-2。
具體實施方式
三十二本實施方式連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的
制備方法按照以下步驟進行 一、高嶺土在700 800'C條件下煅燒1.5 2.5h得 到偏高嶺土； 二、偏高嶺土與質(zhì)量濃度為46 62%的硅酸鹽溶液按照重量比為 1: 3的比例混合制得無機聚合物基體，然后向無機聚合物基體中加入陶瓷顆
?；旌系玫綗o機聚合物配合料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆粒重量比為1:
0.1 l;三、將連續(xù)纖維單向織物加入到無機聚合物配合料中超聲振蕩5 12min， 即制得預(yù)浸料；四、將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在50 卯-C條件下固化 20 120min;五、將步驟四產(chǎn)物在真空或者惰性氣體保護下進行高溫處理，處 理溫度為800 130(TC，處理時間為30 120min，即得到連續(xù)纖維增強無機聚 合物基復(fù)合材料。
本實施方式步驟四中的模具可根據(jù)所需要構(gòu)件的形狀進行設(shè)計，如圓型、 方型等。
本實施方式制作的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料密度為 1.93g.cm-3、三點彎曲強度為215MPa、斷裂功為4.8KJ.m-2。
權(quán)利要求
1、連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進行一、高嶺土在700～800℃條件下煅燒1.5～2.5h得到偏高嶺土；二、偏高嶺土與質(zhì)量濃度為46～62％的硅酸鹽溶液按照重量比為1∶1.5～5.5的比例混合制得無機聚合物基體，然后向無機聚合物基體中加入陶瓷顆?；旌系玫綗o機聚合物配合料，其中無機聚合物基體與陶瓷顆粒重量比為1∶0.1～1；三、將連續(xù)纖維單向織物加入到無機聚合物配合料中超聲振蕩5～12min，即制得預(yù)浸料；四、將步驟三預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中，在50～90℃條件下固化20～120min；五、將步驟四產(chǎn)物在真空或者惰性氣體保護下進行高溫處理，處理溫度為800～1300℃，處理時間為30～120min，即得到連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利1所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于步驟一中高嶺土在720-760'C條件下煅燒L8 2.2h。
3、 根據(jù)權(quán)利1或2所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟二中所述硅酸鹽溶液中的硅酸鹽為硅酸鉀、硅酸鈉或硅酸 銫。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟二中的陶瓷顆粒為氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鋯、莫 來石、碳化硅或氮化硅。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟二陶瓷顆粒的直徑為0.5 5mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 4或5所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟三超聲振蕩6 10min。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于步驟三超聲振蕩的頻率為15 50KHz。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 4、 5或7所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合 材料的制備方法，其特征在于步驟三中的連續(xù)纖維為碳纖維、碳化硅纖維、鋼 纖維或氧化鋁纖維。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中惰性氣體為氮氣或氬氣。
10、根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 4、 5、 7或9所述的連續(xù)纖維增強無機聚合物基 復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中處理溫度為卯0 120(TC，處理時 間為50 100min。
全文摘要
連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法，它涉及一種無機聚合物基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有方法制備出的無機聚合物基復(fù)合材料耐熱性差以及現(xiàn)有的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備方法不易制成復(fù)雜形狀構(gòu)件、制備工藝復(fù)雜、成本高的問題。制備方法一、制作偏高嶺土；二、制作無機聚合物配合料；三、制作預(yù)浸料；四、預(yù)浸料鋪設(shè)在模具中；五、高溫處理；即制作得到連續(xù)纖維增強無機聚合物基復(fù)合材料。本發(fā)明的制備工藝簡單，成本低，能夠制作復(fù)雜形狀構(gòu)件，耐熱性能好，可在1000℃穩(wěn)定使用。
文檔編號C04B33/00GK101531535SQ20091007169
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者何培剛, 林鐵松, 王美榮, 賈德昌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學