[发明专利]混合型金属-陶瓷基复合结构材料及其制造方法

说明书

技术领域

本文公开的内容通常涉及尤其是那些使用陶瓷基体的层状复合结构材 料，更加特别地涉及一种制造混合型金属增强陶瓷基复合结构材料的方法， 以及所制造的复合结构材料。

背景技术

陶瓷基复合(CMC)结构材料，由于其能够耐受高运行温度而可以被用于 航天和其他应用中。例如，在飞行器应用中CMC结构材料可以用于承受高 温尾气的部分。通常，层状CMC复合结构材料可能具有相对低的抗冲击能 力，特别地当冲击是由骤加点载荷造成的局部作用时。低的抗冲击能力部分 源于下面的事实，即这些CMC层状材料可能由约束在陶瓷基体中的纤维形 成，其可能不具有吸收或缓冲由局部冲击产生的能量的最佳能力。

对于上面所提到的问题的一种解决方法包括加入额外的CMC层状材料 层以加强结构，然而这种解决方法由于给飞行器组件增加了额外的重量，在 某些应用中可能是不希望的。

混合型层状材料是已知的，在其复合层中引入含有金属的层，复合层包 括在树脂基体中的连续纤维。例如，TiGr层状材料已经被发展为包括石墨复 合材料和钛的引入层。类似地，引入铝层的具有玻璃复合层的层状材料也为 人所知。然而，这些先前的材料体系中没有一种容易适合用作增强CMC结 构材料。

因此，需要一种混合型金属-陶瓷基复合结构材料，其中CMC层状材料 被增强以抵抗局部冲击载荷，但还要避开给结构增加显著重量的材料。还需 要一种制造上面提到的混合型结构材料的方法，其可重复且很好地适合生产 环境的。

发明内容

公开的实施方案提供了一种制造具有更高的抗局部冲击载荷能力和提 高的韧性的混合型金属-陶瓷基复合结构材料的方法。其他有利之处还包括， 而不限于，提高的抗雷击能力和更高的热导率。

根据一种公开的方法，制造混合型金属-陶瓷基复合结构材料，通过： 形成一层含有金属增强物的增强层；在金属增强物的表面形成一层氧化层； 形成叠层材料，包括在以陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维层之间放置增强 层；以及，使叠层材料固化以使陶瓷纤维层和增强层结合。形成增强层可以 包括在一张金属板上轧碾网状图案。氧化层可以通过在金属增强物表面覆盖 一层金属层，并且氧化此金属层而形成。此方法可以进一步包括通过在炉中 加热已固化的叠层材料并持续预选的一段时间而烧结陶瓷基体。

根据另一公开的方法实施方案，制造复合结构材料，通过：提供多层以 陶瓷基体预浸渍的连续陶瓷纤维；形成至少一个增强层，该增强层包含具有 与陶瓷纤维热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的连续金属增强物；通过在多 层的陶瓷纤维之间放置增强物层以形成叠层材料；以及，通过在高温下使叠 层材料固化以使增强层和陶瓷基体相结合。增强层可以通过将金属和陶瓷纤 维一起编织以形成金属-陶瓷网而形成。也可以形成增强层，通过：提供一 张具有硅硼酸盐玻璃热膨胀特性的镍-钴铁合金板；在合金板上覆盖镍层， 和加热合金板至足够氧化镍层的温度。

根据另一公开的实施方案，提供了一种层状复合结构材料，包括：多层 约束在陶瓷基体中的陶瓷纤维；以及，至少一个增强层，含有结合于陶瓷基 体且具有与陶瓷纤维的热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的金属。增强层中 的金属可以包括网、打孔金属箔、编织织物，板带箔，或者线。金属的表面 包括氧化屏蔽层，其可以是金属、玻璃或者层状的不能渗透的氧化物。

根据另一公开的方法实施方案，制造一种用于航天交通工具的增强陶瓷 基体复合结构材料，可以包括，用陶瓷基体预浸渍连续纤维层，选择具有与 陶瓷基体的热膨胀系数(CTE)大体相配的CTE的金属增强物；在金属增强物 的表面覆盖金属层；氧化金属层；形成至少一层含有金属增强物的增强层； 通过在至少两个预浸渍层之间放置增强层以形成叠层材料；使叠层材料处于 加热和压力条件下，固化和压实叠层材料；以及，在固化和压实后烧结叠层 材料。

根据另一公开的实施方案，提供了一种用于航天交通工具的金属-增强 陶瓷复合结构材料，包括：多层约束在陶瓷基体中的纤维；和插入在多层纤 维之间的至少一层增强层，增强层包括具有与陶瓷基体的热膨胀系数(CTE) 大体相配的CTE的连续金属增强物，连续金属增强物进一步包括与陶瓷基 体结合的金属氧化物外层。

公开的实施方案满足了对增强陶瓷基复合结构材料以抗机械冲击载荷 以及热循环产生的压力，同时保持轻质的需要。