連續氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于連續纖維增強陶瓷基復合材料制備技術，涉及一種連續氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]連續纖維增強的復合材料具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、抗氧化、可靠性好等特點，是高性能航空發動機材料的發展方向。其中，陶瓷基復合材料(CMC)是一種使用溫度較高(1650°C )而密度較低(2.5g/cm3?3.3g/cm3)的結構材料，其有望替代密度大于8.0g/cm3的鎳基或單晶鎳合金作為發動機的燃燒室、火焰穩定器、內錐體、尾噴管、蝸輪外環以及高壓渦輪、低壓渦輪等部件。與已在航空發動機上成功地通過了演示驗證的SiCf/SiC復合材料相比，氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復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的燃氣環鏡中長期使用。目前美國已把氧化物CMC作為重點發展項目。
[0003]目前氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復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分散劑作為預混液，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制體的方法獲得復合材料預成型體，最后對預成型體燒結，從而獲得復合材料。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“粉體顆粒”的形式存在，在浸漬過程中，料漿中的陶瓷粉體顆粒無法進入纖維束內，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，形成基體不同區域的密度梯度，從而降低復合材料的性能。
[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，浸漬過程不會出現密度梯度的問題，而且燒結溫度相對更低，在這兩方面較料漿浸漬法更有優勢。但是，溶膠-凝膠法制備的前驅體酸堿性強，易腐蝕纖維及設備，過強的酸堿性甚至會使纖維在浸漬溶膠之后產生粉化，無法起到增強增韌的作用。此外，溶膠的陶瓷含量低，需多次反復浸漬，且溶膠穩定性差，易沉降和析出，不易儲存。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:提供一種低溫、快速制備連續氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復合材料的方法。
[0006]本發明的技術方案是: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、氧化物陶瓷有機先驅體溶液、有機溶劑，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%，有機氧化物陶瓷前驅體為10wt %?50wt %，有機溶劑為10wt %?40wt %，獲得氧化物陶瓷粉體分散均勻的有機料漿；
[0009](2)連續氧化物纖維預浸料制備
[0010]將連續氧化物纖維進行編織成二維織物，再根據構件尺寸要求，預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行除溶劑處理，待纖維織物表面料漿干燥后即獲得預浸料；
[0011](3)低孔隙率陶瓷基復合材料預成型體的制備
[0012]將上述預浸料置于模具中疊層，疊層的層數根據氧化物纖維在復合材料中的體積分數來確定，氧化物纖維在復合材料中的體積分數控制在10%?50%，疊層完畢并合模后于真空壓機中進行模壓處理，然后將模壓后的預成型體在裂解爐中進行熱處理，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合材料預成型體；
[0013](4)氧化物陶瓷基復合材料基體致密化
[0014]根據構件的性能要求，利用上述有機氧化物陶瓷前驅體溶液對步驟(3)中獲得的低孔隙率陶瓷基復合材料預成型體進行反復浸漬-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合材料，基體致密化過程的反復浸漬熱處理次數為3-10次。
[0015]本發明的優點是:
[0016]第一，該發明首先將含有陶瓷粉體的料漿以涂刷的方式制備預浸料，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合材料預成型體致密化的過程采用的是有機先驅體浸漬工藝，有機先驅體只含有液體，因此更容易滲入空隙中，包括纖維束內。從而避免了基體的密度梯度。
[0017]第二，該發明采用的有機先驅體為中性“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度下降或粉化。從而可以發揮纖維增強體的最大效能。
[0018]第三，該發明采用有機陶瓷先驅體為部分原料，有機先驅體在涂刷過程中可以起到粘結陶瓷粉體的作用，同時陶瓷先驅體在高溫熱處理的過程是一個從有機到無機的轉化過程，通常熱處理溫度低于陶瓷粉體或溶膠凝膠的燒結溫度，因此有利于保護纖維不受熱損傷，保持增強體纖維的強度，從而提高復合材料的強度。
[0019]第三，本發明可以通過纖維的層數及鋪層方式控制纖維在復合材料中的體積分數含量，可以通過基體致密化過程中的浸漬次數控制基體的致密化程度，因此該發明對復合材料的結構設計靈活，可達到不同的材料性能，實現不同工況條件要求的復合材料制備。
[0020]第四，本發明通過漿料制備預浸料獲得低孔隙率預成型坯體的方式即有利于防止復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，又可以實現復合材料的精確定型，同時，減少反復浸漬次數，縮短制備周期。在采用相同陶瓷前驅體的條件下，采用本發明制備的復合材料預成型坯體進行首次熱處理后，復合材料致密度達到65 %以上，經過5輪次浸漬和熱處理之后復合材料密度可達90%以上。而采用傳統的PIP工藝，經過16-18次浸漬裂解工藝后復合材料致密度才能達到90 %，可見本發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、氧化物陶瓷有機先驅體溶液、有機溶劑，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%，有機氧化物陶瓷前驅體為10wt %?50wt %，有機溶劑為10wt %?40wt %，獲得氧化物陶瓷粉體分散均勻的有機料漿；
[0024](2)連續氧化物纖維預浸料制備
[0025]將連續氧化物纖維進行編織成二維織物，再根據構件尺寸要求，預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行除溶劑處理，待纖維織物表面料漿干燥后即獲得預浸料；
[0026](3)低孔隙率陶瓷基復合材料預成型體的制備
[0027]將上述預浸料置于模具中疊層，疊層的層數根據氧化物纖維在復合材料中的體積分數來確定，氧化物纖維在復合材料中的體積分數控制在10%?50%，疊層完畢并合模后于真空壓機中進行模壓處理，然后將模壓后的預成型體在裂解爐中進行熱處理，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合材料預成型體；
[0028](4)氧化物陶瓷基復合材料基體致密化
[0029]根據構件的性能要求，利用上述有機氧化物陶瓷前驅體溶