一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，采用真空壓力浸漬法在復(fù)合材料預(yù)制體中引入C有機(jī)前軀體，固化后可以有效粘合前緣頂端的纖維，減少尖銳前緣在加工時頂端纖維的脫粘。在進(jìn)行高溫處理后，仍有殘余的碳保護(hù)粘合頂端纖維。尖銳前緣精確成型后，結(jié)合反應(yīng)熔體浸滲工藝制備陶瓷基復(fù)合材料。這樣制備出來的尖銳前緣不僅具有良好的形狀完整度，較好的機(jī)械強(qiáng)度，且還可以通過浸滲合金組分的調(diào)整，原位生成難熔金屬化合物相，提高其抗燒蝕能力。
【專利說明】一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，具體涉及一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，利用C有機(jī)前軀體粘合纖維，避免加工過程中尖銳前緣纖維的脫落，并結(jié)合反應(yīng)熔體浸滲合金致密化，獲得纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著飛行器速度的提高，越來越多的翼舵采用尖銳的前緣結(jié)構(gòu)，以獲得更好的氣動性能。但隨著飛行速度的提高和越來越小的前緣半徑，前緣承受的溫度也隨之迅速升高，甚至超過200(TC。連續(xù)纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料(C/SiC)是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有耐高溫、低密度、高強(qiáng)度、抗熱震等一系列優(yōu)點，在氧化條件下，C/SiC復(fù)合材料表面形成SiO2保護(hù)層，可以有效抵抗1700°C以下的氧化燒蝕，通過難熔金屬改性的C/SiC可以滿足2000°C以上的抗燒蝕要求，這使得C/SiC及其改性復(fù)合材料可應(yīng)用于高速飛行器的尖銳前緣。
[0003]然而，隨著前緣半徑的變小，特別是小曲率半徑前緣(<5_)，使用普通方法加工成型時會造成前緣頂端的纖維斷裂，進(jìn)而脫粘剝落，造成形狀缺陷。這些形狀缺陷在燒蝕時相當(dāng)于存在微小半徑的駐點，造成局部極高的熱流密度，導(dǎo)致該部位嚴(yán)重?zé)g，使得材料迅速失效。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，能夠適用于具有極小半徑的前緣加工制備。制備出的前緣具有良好的形狀完整度，較好的機(jī)械強(qiáng)度，而且還可以通過浸滲合金組分的調(diào)整，原位生成難熔金屬化合物相，提高其抗燒蝕能力。
[0006]技術(shù)方案
[0007]—種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1、復(fù)合材料預(yù)制體制備:將開氣孔率為20vol%~30vol %的復(fù)合材料預(yù)制體使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°C~120°C經(jīng)過I~2小時烘干得到清潔干燥的復(fù)合材料預(yù)制體；
[0009]步驟2、漿料制備:將C有機(jī)前驅(qū)體和六次甲基四胺溶解在無水乙醇中，球磨24~48小時得到漿料；六次甲基四胺的質(zhì)量為C有機(jī)前驅(qū)體質(zhì)量的10% ;通過無水乙醇的含量控制漿料的粘度為20~200mPa.s ;調(diào)節(jié)PH值為9~11 ;
[0010]步驟3、試樣預(yù)加工:加工的前緣半徑比設(shè)計要求的前緣半徑的尺寸大I~5mm，然后使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°C~120°C經(jīng)過I~2小時烘干得到復(fù)合材料預(yù)加工件；
[0011]步驟4、真空壓力浸潰:將步驟3中的復(fù)合材料預(yù)加工件真空壓力浸潰在漿料中，真空度為-0.05MPa~-0.1OMPa,壓力為0.8MPa~1.0Mpa,使得漿料中的C有機(jī)前驅(qū)體浸入復(fù)合材料預(yù)加工件中；
[0012]步驟5、固化粘合:將浸潰后的材料在烘箱中60°C下固化I小時，然后在150°C下固化I小時，使預(yù)加工件中浸滲的C有機(jī)前驅(qū)體固化，粘合保護(hù)纖維；
[0013]步驟6:按照設(shè)計要求的前緣半徑的尺寸將經(jīng)過固化粘合處理的預(yù)加工件加工成型，得到尖銳前緣的形狀構(gòu)件，然后在氬氣保護(hù)下900°C~1800°C熱處理2小時裂解C有機(jī)前驅(qū)體；
[0014]步驟7、反應(yīng)熔體滲透RM1:在真空條件下將合金反應(yīng)熔體滲入步驟6中得到的構(gòu)件中，與C反應(yīng)生成陶瓷基復(fù)合材料，得到纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣。
[0015]所述復(fù)合材料預(yù)制體為采用致密化方法制備的三維穿刺、二維疊層或三維編織的C/SiC或者C/C復(fù)合材料預(yù)制體。
[0016]所述致密化方法為CVI或PIP致密化方法。
[0017]所述C有機(jī)前驅(qū)體是酚醛樹脂，呋喃樹脂或硅烷樹。
[0018]所述步驟7反應(yīng)熔體滲透RMI的過程中，浸滲合金為硅鋯合金、硅鉿合金、硅粉或錯銅合金者。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明提出的一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，利用C有機(jī)前軀體固化后可有效粘合碳纖維，避免加工時纖維的斷裂和脫粘。即使在進(jìn)行高溫處理后，仍可粘合碳纖維。尖銳前緣精確成型后，采用反應(yīng)熔體浸滲工藝制備陶瓷基復(fù)合材料。采用此工藝獲得的尖銳前緣不僅具有良好的形狀完整度，較好的機(jī)械強(qiáng)度，而且還可以通過浸滲合金組分的調(diào)整，原位生成難熔金屬化合物，提高其抗燒蝕能力。
[0021 ] 本發(fā)明的制備方法，由于采用真空壓力浸潰法在復(fù)合材料預(yù)制體中弓丨入C有機(jī)前軀體，固化后可以有效粘合前緣頂端的纖維，減少尖銳前緣在加工時頂端纖維的脫粘。在進(jìn)行高溫處理后，仍有殘余的碳保護(hù)粘合頂端纖維。尖銳前緣精確成型后，結(jié)合反應(yīng)熔體浸滲工藝制備陶瓷基復(fù)合材料。這樣制備出來的尖銳前緣不僅具有良好的形狀完整度，較好的機(jī)械強(qiáng)度，且還可以通過浸滲合金組分的調(diào)整，原位生成難熔金屬化合物相，提高其抗燒蝕能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1:采用普通加工方法制備的三維穿刺Rl.5尖銳前緣，有纖維脫粘和剝落
[0023]圖2:采用本發(fā)明所制備的三維穿刺Rl.5的C/SiC-HfC復(fù)合材料尖銳前緣
[0024]圖3:采用本發(fā)明所制備的三維穿刺Rl的CVSiC-ZrB2-ZrC復(fù)合材料尖銳前緣
[0025]圖4:采用本發(fā)明所制備的三維穿刺R0.5的C/SiC-ZrC復(fù)合材料尖銳前緣
【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0027]實施例1:前緣半徑為0.5mm的C/SiC_ZrC復(fù)合材料尖銳前緣制備
[0028]具體加工制備步驟如下:
[0029]1、復(fù)合材料預(yù)制體制備:將開氣孔率為25vol %的三維針刺C/SiC復(fù)合材料預(yù)制體使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°c經(jīng)過2小時烘干得到C/SiC預(yù)制體；
[0030]2、漿料制備:將酚醛樹脂溶解在無水乙醇中，在滾筒式球磨機(jī)上球磨48小時得到漿料；六次甲基四胺的質(zhì)量為酚醛樹脂質(zhì)量的10% ;通過無水乙醇的含量控制漿料的粘度為IOOmPa.S，調(diào)節(jié)PH值為10，控制分散性；
[0031]3、試樣預(yù)加工:將步驟I中的C/SiC預(yù)制體預(yù)加工為前緣半徑2mm的預(yù)制試樣，然后使用超聲波清洗I小時，烘箱中120°C經(jīng)過I小時烘干得到C/SiC預(yù)加工件；
[0032]4、真空壓力浸潰:將步驟3中的C/SiC預(yù)加工件真空壓力浸潰在漿料中，真空度為-0.lOMPa，壓力為0.8MPa ;將漿料中的酚醛樹脂浸入C/SiC預(yù)加工件中；
[0033]5、固化粘合:將步驟4得到的材料在烘箱中60°C和150°C依次固化I小時，使預(yù)加工件中的酚醛樹脂固化，粘合保護(hù)纖維；
[0034]6、精確加工:將經(jīng)過固化粘合的預(yù)加工件精確加工成型為前緣半徑0.5mm的精確形狀構(gòu)件。然后在氬氣保護(hù)下1800°C熱處理2小時裂解C有機(jī)前驅(qū)體；
[0035]7、反應(yīng)熔體滲透RM1:在高于硅鋯合金熔點100°C的真空條件下將硅鋯合金滲入步驟6中的構(gòu)件中與C反 應(yīng)，原位生成抗燒蝕成分ZrC和SiC，得到制備完成的前緣半徑
0.5mm的C/SiC-ZrC復(fù)合材料尖銳前緣構(gòu)件。
[0036]實施例2:前緣半徑1.5mm的C/SiC-HfC復(fù)合材料尖銳前緣制備
[0037]具體加工制備步驟如下:
[0038]1、復(fù)合材料預(yù)制體制備:將開氣孔率為20vol %的二維疊層C/SiC復(fù)合材料預(yù)制體使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°c經(jīng)過2小時烘干得到C/SiC預(yù)制體；
[0039]2、漿料制備:將硅烷樹脂和六次甲基四胺溶解在無水乙醇中，在滾筒式球磨機(jī)上球磨48小時得到漿料；，六次甲基四胺的質(zhì)量為酚醛樹脂質(zhì)量的10% ;通過無水乙醇的含量控制漿料的粘度為80mPa.s，調(diào)節(jié)PH值為10，控制分散性；
[0040]3、試樣預(yù)加工:將步驟I中的C/SiC預(yù)制體預(yù)加工為前緣半徑3mm的預(yù)制試樣，然后使用超聲波清洗I小時，烘箱中120°C經(jīng)過I小時烘干得到C/SiC預(yù)加工件；
[0041]4、真空壓力浸潰:將步驟3中的C/SiC預(yù)加工件真空壓力浸潰在漿料中，真空度為-0.09MPa，壓力為1.0MPa ;將漿料中的硅烷樹脂浸入預(yù)加工后的C/SiC預(yù)加工件中；
[0042]5、固化粘合:將步驟4得到的材料烘箱中60°C和150°C依次固化I小時，使預(yù)加工件中的硅烷樹脂固化，粘合保護(hù)纖維；
[0043]6、精確加工:將經(jīng)過固化粘合的預(yù)加工件精確加工成型為前緣半徑1.5mm的精確形狀構(gòu)件。然后在氬氣保護(hù)下1800°C熱處理2小時裂解C有機(jī)前驅(qū)體；
[0044]7、反應(yīng)熔體滲透RM1:在高于硅鉿合金熔點100°C的真空條件下，將硅鉿合金滲入步驟6中精確成形后構(gòu)件中，與C反應(yīng)生成抗燒蝕成分HfC和SiC，得到制備完成的前緣半徑1.5_的C/SiC-HfC復(fù)合材料尖銳前緣。
[0045]實施例3:前緣半徑Imm的C/SiC-ZrB2-ZrC復(fù)合材料尖銳前緣制備
[0046]具體加工制備步驟如下:
[0047]1、復(fù)合材料預(yù)制體制備:將開氣孔率為25Vol%的三維穿刺C/C復(fù)合材料預(yù)制體使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°c經(jīng)過2小時烘干得到C/C預(yù)制體；
[0048]2、漿料制備:將酚醛樹脂六次甲基四胺溶解在無水乙醇中，然后混入B4C粉并且在滾筒式球磨機(jī)上球磨48小時得到漿料；酚醛樹脂與B4C粉質(zhì)量比為1:1，六次甲基四胺的質(zhì)量為酚醛樹脂質(zhì)量的10% ;通過無水乙醇的含量控制漿料的粘度為IOOmPa.S，調(diào)節(jié)PH值為10，控制分散性；
[0049]3、試樣預(yù)加工:將步驟I中的C/C預(yù)制體預(yù)加工為前緣半徑3mm的預(yù)制試樣，然后使用超聲波清洗I小時，烘箱中120°C經(jīng)過I小時烘干得到C/C預(yù)加工件；
[0050]4、真空壓力浸潰:將步驟3中的C/C預(yù)加工樣真空壓力浸潰在漿料中，真空度為-0.lOMPa，壓力為0.8MPa ;將漿料中的酚醛樹脂浸入預(yù)加工后的C/C預(yù)加工件中；
[0051]5、固化粘合:將步驟4得到的材料烘箱中60°C和150°C依次固化I小時，使預(yù)加工件中浸滲的酚醛樹脂固化，粘合保護(hù)纖維。
[0052]6、精確加工:將經(jīng)過固化粘合的預(yù)加工件精確加工成型為前緣半徑1_的精確形狀構(gòu)件。然后在氬氣保護(hù)下1800°C熱處理2小時裂解C有機(jī)前驅(qū)體；
[0053]7、反應(yīng)熔體滲透RM1:在高于硅鋯合金熔點150°C的真空條件下將硅鋯合金滲入步驟6中的精確形狀構(gòu)件內(nèi)，與C和B4C反應(yīng)生成抗燒蝕成分ZrC、ZrB2和SiC，得到制備完成的前緣半徑1_的CVSiC -ZrB2-ZrC復(fù)合材料尖銳前緣。
【權(quán)利要求】
1.一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、復(fù)合材料預(yù)制體制備:將開氣孔率為20vol%~30vol%的復(fù)合材料預(yù)制體使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°C~120°C經(jīng)過I~2小時烘干得到清潔干燥的復(fù)合材料預(yù)制體； 步驟2、漿料制備:將C有機(jī)前驅(qū)體和六次甲基四胺溶解在無水乙醇中，球磨24~48小時得到漿料；六次甲基四胺的質(zhì)量為C有機(jī)前驅(qū)體質(zhì)量的10% ;通過無水乙醇的含量控制漿料的粘度為20~200mPa.s ;調(diào)節(jié)PH值為9~11 ; 步驟3、試樣預(yù)加工:加工的前緣半徑比設(shè)計要求的前緣半徑的尺寸大I~5mm，然后使用超聲波清洗I小時，烘箱中100°C~120°C經(jīng)過I~2小時烘干得到復(fù)合材料預(yù)加工件； 步驟4、真空壓力 浸潰:將步驟3中的復(fù)合材料預(yù)加工件真空壓力浸潰在漿料中，真空度為-0.05MPa~-0.1OMPa,壓力為0.8MPa~1.0Mpa,使得漿料中的C有機(jī)前驅(qū)體浸入復(fù)合材料預(yù)加工件中； 步驟5、固化粘合:將浸潰后的材料在烘箱中60°C下固化I小時，然后在150°C下固化I小時，使預(yù)加工件中浸滲的C有機(jī)前驅(qū)體固化，粘合保護(hù)纖維； 步驟6:按照設(shè)計要求的前緣半徑的尺寸將經(jīng)過固化粘合處理的預(yù)加工件加工成型，得到尖銳前緣的形狀構(gòu)件，然后在氬氣保護(hù)下900°C~1800°C熱處理2小時裂解C有機(jī)前驅(qū)體； 步驟7、反應(yīng)熔體滲透RM1:在真空條件下將合金反應(yīng)熔體滲入步驟6中得到的構(gòu)件中，與C反應(yīng)生成陶瓷基復(fù)合材料，得到纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于:所述復(fù)合材料預(yù)制體為采用致密化方法制備的三維穿刺、二維疊層或三維編織的C/SiC或者C/C復(fù)合材料預(yù)制體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于:所述致密化方法為CVI或PIP致密化方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于:所述C有機(jī)前驅(qū)體是酚醛樹脂，呋喃樹脂或硅烷樹。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料尖銳前緣的制備方法，其特征在于:所述步驟7反應(yīng)熔體滲透RMI的過程中，浸滲合金為硅鋯合金、硅鉿合金、硅粉或鋯銅合金者。
【文檔編號】C04B35/56GK104003746SQ201410206417
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】王一光, 羅磊, 劉俊朋, 段劉陽, 張立同, 成來飛 申請人:西北工業(yè)大學(xué)