[发明专利]三维纤维预制件增强莫来石复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐高温纤维增强陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种三维纤维预制件增强莫来石复合材料及其制备方法。

背景技术

莫来石陶瓷是由Al₂O₃、SiO₂组成的双相固溶体，其密度低，热膨胀系数小，热导率低，高温稳定性好，又具有天然优异的抗氧化性能。除此之外，作为一种高温结构陶瓷，莫来石最大的特色在于，它在1300℃时的强度、韧性是室温时的1.7倍，1500℃时强度仍能达到室温的90％，1600℃下还能保持较好的化学稳定性与抗蠕变能力。因此，除了已经被大量用作民用工业窑炉的耐火材料以及民用发动机的高温工程材料外，在先进航空航天发动机热力流道、高速飞行器热防护系统中也具有很好的应用前景。莫来石陶瓷的应用，将会简化航空航天发动机、高速飞行器热防护系统的结构，减轻其重量，提高其工作效能，进而明显提升整个飞行器的综合性能，对于提高航空航天飞行器、武器系统的性能水平具有重要意义，因而近年来得到了高度关注。

然而，莫来石陶瓷在室温下的力学性能偏低，弯曲强度只有200～300MPa，断裂韧性只有2～3MPa·m^1/2，这严重影响其应用范围，在具有很大热、力冲击的航空航天发动机、高速飞行器热防护系统中是无法应用的。因此，从上世纪八十年代以来，通过各种方式补强增韧的莫来石基复合材料研究得到了高度关注和深入研究。目前，在各种补强增韧方式中，利用纤维作为第二相来补强增韧被认为是最有效的，尤其是在增韧方面的效果最为显著。

对于纤维增强莫来石复合材料而言，按照纤维在复合材料中的排布方式，可以分为一维、二维、三维纤维预制件增强莫来石复合材料。一维复合材料是指将纤维束通过莫来石浆料后(浆料中有粘接剂将莫来石粘附在纤维上)缠绕成无纬布，再将无纬布按不同方向、不同角度铺层，或者直接按不同方向、不同角度缠绕成所需形状，然后经高温或者热压烧结得到的复合材料。二维复合材料是指通过涂刷、浸涂莫来石浆料等方式在纤维布表面粘附上莫来石基体，将纤维布叠层后，经高温或者热压烧结得到的复合材料。三维复合材料是指先将纤维制作成三维立体的预制件，然后通过气相法、液相法等手段将莫来石基体引入预制件中所得到的复合材料。

相比较而言，三维复合材料的整体性较优(一维和二维复合材料的面内、层间性能较弱)，纤维含量与排布方向性的可设计性强，更加适用于复杂形状构件的制备。然而，由于预制件结构的不同，三维复合材料的致密化难以照搬一维、二维复合材料的制备工艺。针对三维预制件的结构特点，常采用两种致密化方法：一是将预制件加热到所需温度后，通入气态原料，原料扩散至预制件中在高温作用下反应沉积得到莫来石基体，随着沉积时间延长，预制件中孔隙逐渐被莫来石填充，致密度不断增加，称之为气相法；二是将预制件浸渍液态原料后，干燥去除溶剂，然后在高温下热处理得到莫来石基体，重复“浸渍－干燥－热处理”若干个周期，预制件中孔隙逐渐被莫来石填充，致密度不断增加，称之为液相法。相比之下，液相法对设备的要求低，对复合时的温度场、化学场不敏感，在复杂形状和批量构件制备时的优势更加明显，而且目前适合用于沉积莫来石的气态原料太少，沉积特性也不够理想，液态原料则来源广泛，性能可靠。