三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐高溫的纖維增強陶瓷基復合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維纖維 預制件增強氧化鋁復合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧化鋁(Al2〇3)陶瓷作為最穩(wěn)定的氧化物陶瓷之一，具有硬度大、強度高、耐磨損、 耐高溫、耐腐蝕、高絕緣性和生物相容性等特點，以其發(fā)展早、成本低、性能好的優(yōu)勢，在國 防軍工、航空航天、冶金、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域已成為應用最廣的陶瓷材料之一。
[0003] 然而，面向沖擊防護、高溫熱防護等領(lǐng)域的應用需求，Al2〇3陶瓷的力學性能仍有不 足，其彎曲強度一般為300MPa~500MPa，且受原料純度、燒結(jié)致密度、晶相組成的影響較大， 尤其是斷裂韌性偏低，只有3MPa · mV2~5MPa · mV2,這在具有很大熱、力沖擊的航空航天發(fā) 動機、高速飛行器熱防護系統(tǒng)、坦克裝甲中是無法應用的。因此，通過各種方式補強增韌的 Al2〇3復合材料研究得到了高度關(guān)注和深入研究。
[0004] 目前，在各種補強增韌方式中，利用纖維作為第二相來補強增韌被認為是最有效 的。一方面，在纖維增強ai2〇 3復合材料中，ai2〇3基體的主要作用是把外加載荷傳遞給纖維， 由纖維承擔大部分載荷，因此ai 2〇3基體的強度對其純度、致密度、晶相組成的依賴性相對較 低；另一方面，由于纖維的引入，ai 2〇3陶瓷復合材料中具備了纖維斷裂、橋聯(lián)、拔出、界面脫 粘等裂紋偏轉(zhuǎn)和能量耗散機制，能夠顯著提高Al 2〇3陶瓷的斷裂韌性。
[0005] 對于纖維增強Al2〇3復合材料而言，按照纖維在復合材料中的排布方式，可以分為 一維、二維、三維預制件增強ai 2〇3復合材料。一維復合材料是指將纖維束通過ai2〇3漿料后 (漿料中有粘接劑將Al 2〇3粘附在纖維上)纏繞成無煒布，再將無煒布按不同方向、不同角度 鋪層，或者直接按不同方向、不同角度纏繞成所需形狀，然后經(jīng)高溫無壓或者熱壓燒結(jié)得到 的復合材料。二維復合材料是指通過涂刷、浸涂Al 2〇3漿料等方式在纖維布表面粘附上Al2〇3 基體，將纖維布疊層后，經(jīng)高溫無壓或者熱壓燒結(jié)得到的復合材料。三維復合材料是指先將 纖維制作成三維立體的預制件，然后通過氣相法、液相法等手段將Al 2〇3基體引入預制件中 所得到的復合材料。
[0006] 相比較而言，三維復合材料的整體性較優(yōu)(一維和二維復合材料的面內(nèi)、層間性能 較弱），纖維含量與排布方向性的可設(shè)計性強，更加適用于復雜形狀構(gòu)件的制備。然而，由于 預制件結(jié)構(gòu)的不同，三維復合材料的致密化難以照搬一維、二維復合材料的制備工藝。針對 三維預制件的結(jié)構(gòu)特點，常采用兩種致密化方法:一是將預制件加熱到所需溫度后，通入氣 態(tài)原料，原料擴散至預制件中在高溫作用下反應沉積得到Al 2〇3基體，隨著沉積時間延長，預 制件中孔隙逐漸被Al2〇3填充，致密度不斷增加，稱之為氣相法;二是將預制件浸漬液態(tài)原料 后，干燥去除溶劑，然后在高溫下熱處理得到Al 2〇3基體，重復"浸漬一干燥一熱處理"若干個 周期，預制件中孔隙逐漸被Al2〇3填充，致密度不斷增加，稱之為液相法。相比之下，液相法對 設(shè)備的要求低，對復合時設(shè)備中的溫度場、化學場不敏感，在復雜形狀和批量構(gòu)件制備時的 優(yōu)勢更加明顯，而且目前適合用于沉積Al 2〇3的氣態(tài)原料太少，沉積特性也不夠理想，液態(tài)原 料則來源廣泛，性能可靠。
[0007] 對于液相法而言，如何快速制備出高致密度、高力學性能的三維纖維預制件增強 Al2〇3復合材料，是需要解決的一個關(guān)鍵問題，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)點包括原料性質(zhì)、浸漬工 藝、熱處理工藝。目前的做法是，從鋁的無機鹽溶液(如氯化鋁、硝酸鋁）、鋁的有機醇鹽溶液 (如異丙醇鋁）或Al 2〇3粉配制成的泥漿等出發(fā)，經(jīng)反復"浸漬一干燥一熱處理"若干個周期， 得到最終的復合材料。
[0008] 泥漿原料中雖然Al2〇3含量高，但由于其粒徑大，分散不均勻，很容易堆積在預制件 表面造成堵塞，導致后續(xù)浸漬很難進入預制件內(nèi)部，即便是前期進入到內(nèi)部的泥漿，在預制 件中的分布也不均勻。
[0009] 無機鹽或有機醇鹽溶液雖然沒有泥漿原料的問題，但由于原料中含有大量溶劑、 無用的有機或無機基團，轉(zhuǎn)化為Al2〇3的收率很低，這導致其致密化效率偏低?，F(xiàn)有研究表 明，使用無機鹽或有機醇鹽的飽和溶液為原料，通過"浸漬一干燥一熱處理"制備三維預制 件C/A1 203復合材料，預制件的增重曲線呈拋物線規(guī)律，即在一定周期后基本不增重了，也就 是說，復合到一定周期后，再怎么浸漬一干燥一熱處理，預制件也不增重了。另外，現(xiàn)有技術(shù) 中的熱處理溫度基本都在1400°C以下，同時由于Al 2〇3物理和化學狀態(tài)的影響，導致Al2〇3的 燒結(jié)致密度不夠，自身承載及傳遞載荷的能力偏弱。
[0010] 因此，利用現(xiàn)有方法所制備的三維纖維預制件增強Al2〇3復合材料，普遍存在制備 效率低、孔隙率偏高、力學性能偏低等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低孔隙率、高致密度、 高穩(wěn)定性和力學性能優(yōu)異的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，還提供一種制備效率高 的該三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法。
[0012] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0013] 一種三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，包括三維纖維預制件和氧化鋁，所述 氧化鋁均勻填充于所述三維纖維預制件的孔隙中，所述氧化鋁與所述三維纖維預制件物理 結(jié)合，所述氧化鋁為α_Α1 2〇3陶瓷，所述三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的孔隙率為9 % ~16% 〇
[0014] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，優(yōu)選的，所述三維纖維預制件為纖 維布疊層縫合得到的三維纖維預制件、纖維布與氈交替疊層針刺得到的三維纖維預制件、 三維五向編織結(jié)構(gòu)的三維纖維預制件、二維半編織結(jié)構(gòu)的三維纖維預制件、三維四向編織 結(jié)構(gòu)的三維纖維預制件中的一種或多種;所述三維纖維預制件中的纖維為碳纖維或碳化硅 纖維;所述三維纖維預制件中纖維的體積分數(shù)為28 %~52 %。
[0015] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，優(yōu)選的，所述三維纖維預制件增強 氧化鋁復合材料的彎曲強度為120MPa~420MPa，斷裂韌性為7MPa · m1/2~18MPa · m1/2。
[0016] 作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料 的制備方法，包括以下步驟：
[0017] (1)浸漬:將三維纖維預制件置于Al2〇3溶膠中，進行真空浸漬，使所述Al2〇3溶膠填 充在三維纖維預制件中；
[0018] (2)干燥:將三維纖維預制件取出干燥，以去除Al2〇3溶膠中的溶劑；
[0019] (3)熱處理:在惰性氣氛保護下進行熱處理，得到三維纖維預制件增強氧化鋁復合 材料中間體；
[0020] (4)重復步驟（1)~（3)的浸漬一干燥一熱處理過程，直至三維纖維預制件增強氧 化鋁復合材料中間體相比于上一次浸漬一干燥一熱處理過程增重低于1%，得到三維纖維 預制件增強氧化鋁復合材料。
[0021] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述Al2〇3溶膠 中的Al2〇3為非晶態(tài);所述Al 2〇3溶膠的固含量為20wt %~40wt % ;所述Al2〇3的粒徑< 30nm。
[0022] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（3) 中，所述熱處理的溫度為1400°C~1800°C;所述熱處理的工藝過程為:在惰性氣氛保護下， 以10°C/min~20°C/min的速率升溫至所述熱處理溫度后，保溫0.5h~2h。
[0023] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1) 中，真空浸漬后還包括在設(shè)定壓力下進行氣壓輔助浸漬，使所述Al 2〇3溶膠進一步填充在三 維纖維預制件中。
[0024] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1) 中，所述真空浸漬的工藝條件為:真空度< 500Pa，浸漬時間為4h~8h;所述氣壓輔助浸漬的 工藝條件為:所述設(shè)定壓力為2MPa~lOMPa，浸漬時間為2h~6h。
[0025] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（2) 中，干燥溫度為l〇〇°C~200°C，干燥時間為4h~8h。
[0026] 上述的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，優(yōu)選的，在所述步驟(1) 之前還包括三維纖維預制件預處理步驟，具體為:將所述三維纖維預制件置于真空或惰性 氣氛下，以5°C/min~20°C/min的速率升溫至1000°C~1800°C并保溫lh~4h。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0028] 1、本發(fā)明的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，以氧化鋁為基體，以三維纖維 預制件為增強相，氧化鋁均勻填充于三維纖維預制件的孔隙中并與三維纖維預制件物理結(jié) 合，該氧化鋁為α_Α12〇3陶瓷，三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的孔隙率為9%~16%。 與現(xiàn)有的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料相比，氧化鋁在三維纖維預制件中分別更均 勻，氧化鋁含量和致密度更高，因而力學性能更優(yōu)異。
[0029] 2、本發(fā)明的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料的制備方法，以Α12〇3溶膠為基體 原料，經(jīng)重復"浸漬一干燥一熱處理"若干個周期后，得到氧化鋁均勻填充于三維纖維預制 件的孔隙中的三維纖維預制件增強氧化鋁復合材料，與現(xiàn)用的Α12〇3粉配制成的泥漿、鋁的 無機鹽溶液或鋁的有機醇鹽溶液作為基體原料相比，本發(fā)明所采用的基體原料Α1 2〇3溶膠 中，納米尺寸的Α12〇3顆粒在溶劑中呈單分散狀態(tài)，固含量高，既能避免泥漿帶來的易在預制 件表面堆積、在預制件中分布不均勻等問題，又能克服有機或無機鹽溶液帶來的致密度低、 效率低的不足。
[0030] 3、進一步地，本發(fā)明所用溶膠中，Al2〇3為無定形態(tài)，粒徑< 30nm，試驗表明，