[发明专利]一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地，涉及一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料的制备方法。

背景技术

随着航空航天领域新一代飞行器的发展以及高速飞行器飞行马赫数的提高，越来越高的燃气温度和速度对发动机及其周边部件的材料提出了更高的耐温要求，使先进复合材料的开发与应用越来越重要。目前航空发动机的热端结构构件要求材料具有耐高温(热端部件温度已高达1600℃以上)、高强高韧性和环境稳定性等特性，热结构复合材料为其实现提供了可能。

连续纤维增强复合材料具有比单相陶瓷高得多的断裂韧性，能有效克服对裂纹和热震的敏感性，还有高比强、高比模和耐磨损以及热稳定好等优点，已在热防护领域显示出巨大的优势。连续纤维增强的热结构复合材料是复合材料中使用温度最高(1650℃)同时密度(2.5g/cm³～3.3g/cm³)较低的结构材料，其应用目标是替代密度大于8.0g/cm³的镍基或单晶镍合金作为发动机的燃烧室、火焰稳定器、内锥体、尾喷管、蜗轮外环以及低压涡轮、高压涡轮等部件。当碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料在航空发动机上成功地通过了演示验证之后，人们开始关注抗氧化性能更好、成本更低的氧化物纤维增韧氧化物热结构复合材料。近年来，国内外对连续纤维增强的热结构复合材料的研究比较活跃，美国也把连续纤维增强的热结构复合材料作为重点发展项目。

热结构基体和纤维本身都是偏脆性材料，但通过对界面进行合理的设计后，热结构基体复合材料则能表现出一定程度的韧性，界面是改善热结构复合材料脆性的关键。氧化物纤维增强热结构复合材料在受外界载荷的条件下，纤维与基体之间产生脱粘、拔出、滑移等效应，只有当纤维与基体之间结合力合适时才能使复合材料有较高强度和韧性。所以提高纤维与基体界面之间的结合力的强弱是改善氧化物纤维增强热结构复合材料性能的关键技术之一。

目前氧化物纤维/氧化物热结构复合材料的界面材料主要有：氮化硼(BN) 界面、逸出型界面(牺牲碳界面层)、层状氧化物界面、不润湿界面以及多孔界面及多孔基体等。界面相制备工艺复杂、成本较高且高温结构稳定性较差，使含界面相氧化物热结构复合材料的高温应用受限。而多孔基体氧化物热结构复合材料的室温和高温力学性能优异，高温服役寿命较长且制备工艺简单，具有广阔的应用前景。

因此，如何改善氧化铝纤维增强热结构复合材料的性能及相应的制备工艺，便于在相对低的温度制备出综合性能优异的氧化铝纤维增强的热结构复合材料，这对于本技术领域的发展，将具有重要的意义。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种力学性能优异、弯曲强度高、高温稳定性好的含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料。

根据本发明实施例的一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料，包括：基体，基体为多孔莫来石骨架和氧化铝基体；增强体，增强体为三维连续氧化铝纤维织物；其中，多孔莫来石骨架由莫来石溶胶转化成的莫来石粉制备而成，氧化铝基体以Al₂Cl(OH)₅为前驱体通过浸渍裂解法得到。

根据本发明实施例的一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料，以三维氧化铝纤维为增强体，以多孔莫来石复合氧化铝为基体，显著提高了热结构复合材料的高温稳定性和力学性能(如弯曲强度、拉伸强度和层间剪切强度等)。本发明所制得的多孔基体可以有效偏转裂纹，提高复合材料强度，无需在三维氧化铝纤维表面涂层制备界面相，大大降低了对设备要求且简化了制备程序，自增韧基体为多孔莫来石+氧化铝基体使复合材料具有较好的高温服役性能。另外本发明选取的原料广泛易得，前景十分广阔。根据本发明的热结构复合材料的的弯曲强度大于160MPa，拉伸强度大于120MPa，断裂韧性 K_IC≥16MPa·m^1/2。

另外，根据本发明上述实施例的一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，氧化铝纤维织物的体积分数为38％～45％。

进一步地，基体中，多孔莫来石骨架的固含量为60％～80％，氧化铝的固含量为20％～40％。

进一步地，氧化铝纤维织物为三维四向结构、三维五向结构、三维六向结构或三维正交结构。