[發明專利]一種含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610389255.0
• 申請日: 2016-06-02
• 公開（公告）號: CN106747555B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 羅瑞盈;王天穎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/80
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產權代理有限公司11514
• 代理人: 趙永輝

技術領域

本發明涉及材料領域，具體地，涉及一種含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料的制備方法。

背景技術

隨著航空航天領域新一代飛行器的發展以及高速飛行器飛行馬赫數的提高，越來越高的燃氣溫度和速度對發動機及其周邊部件的材料提出了更高的耐溫要求，使先進復合材料的開發與應用越來越重要。目前航空發動機的熱端結構構件要求材料具有耐高溫(熱端部件溫度已高達1600℃以上)、高強高韌性和環境穩定性等特性，熱結構復合材料為其實現提供了可能。

連續纖維增強復合材料具有比單相陶瓷高得多的斷裂韌性，能有效克服對裂紋和熱震的敏感性，還有高比強、高比模和耐磨損以及熱穩定好等優點，已在熱防護領域顯示出巨大的優勢。連續纖維增強的熱結構復合材料是復合材料中使用溫度最高(1650℃)同時密度(2.5g/cm³～3.3g/cm³)較低的結構材料，其應用目標是替代密度大于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、蝸輪外環以及低壓渦輪、高壓渦輪等部件。當碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷復合材料在航空發動機上成功地通過了演示驗證之后，人們開始關注抗氧化性能更好、成本更低的氧化物纖維增韌氧化物熱結構復合材料。近年來，國內外對連續纖維增強的熱結構復合材料的研究比較活躍，美國也把連續纖維增強的熱結構復合材料作為重點發展項目。

熱結構基體和纖維本身都是偏脆性材料，但通過對界面進行合理的設計后，熱結構基體復合材料則能表現出一定程度的韌性，界面是改善熱結構復合材料脆性的關鍵。氧化物纖維增強熱結構復合材料在受外界載荷的條件下，纖維與基體之間產生脫粘、拔出、滑移等效應，只有當纖維與基體之間結合力合適時才能使復合材料有較高強度和韌性。所以提高纖維與基體界面之間的結合力的強弱是改善氧化物纖維增強熱結構復合材料性能的關鍵技術之一。

目前氧化物纖維/氧化物熱結構復合材料的界面材料主要有：氮化硼(BN) 界面、逸出型界面(犧牲碳界面層)、層狀氧化物界面、不潤濕界面以及多孔界面及多孔基體等。界面相制備工藝復雜、成本較高且高溫結構穩定性較差，使含界面相氧化物熱結構復合材料的高溫應用受限。而多孔基體氧化物熱結構復合材料的室溫和高溫力學性能優異，高溫服役壽命較長且制備工藝簡單，具有廣闊的應用前景。

因此，如何改善氧化鋁纖維增強熱結構復合材料的性能及相應的制備工藝，便于在相對低的溫度制備出綜合性能優異的氧化鋁纖維增強的熱結構復合材料，這對于本技術領域的發展，將具有重要的意義。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種力學性能優異、彎曲強度高、高溫穩定性好的含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料。

根據本發明實施例的一種含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料，包括：基體，基體為多孔莫來石骨架和氧化鋁基體；增強體，增強體為三維連續氧化鋁纖維織物；其中，多孔莫來石骨架由莫來石溶膠轉化成的莫來石粉制備而成，氧化鋁基體以Al₂Cl(OH)₅為前驅體通過浸漬裂解法得到。

根據本發明實施例的一種含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料，以三維氧化鋁纖維為增強體，以多孔莫來石復合氧化鋁為基體，顯著提高了熱結構復合材料的高溫穩定性和力學性能(如彎曲強度、拉伸強度和層間剪切強度等)。本發明所制得的多孔基體可以有效偏轉裂紋，提高復合材料強度，無需在三維氧化鋁纖維表面涂層制備界面相，大大降低了對設備要求且簡化了制備程序，自增韌基體為多孔莫來石+氧化鋁基體使復合材料具有較好的高溫服役性能。另外本發明選取的原料廣泛易得，前景十分廣闊。根據本發明的熱結構復合材料的的彎曲強度大于160MPa，拉伸強度大于120MPa，斷裂韌性 K_IC≥16MPa·m^1/2。

另外，根據本發明上述實施例的一種含自增韌基體、連續纖維增強的熱結構復合材料，還可以具有如下附加的技術特征：

進一步地，氧化鋁纖維織物的體積分數為38％～45％。

進一步地，基體中，多孔莫來石骨架的固含量為60％～80％，氧化鋁的固含量為20％～40％。

進一步地，氧化鋁纖維織物為三維四向結構、三維五向結構、三維六向結構或三維正交結構。