[發明專利]一種陶瓷基復合材料輕質點陣結構的制備方法

在審

• 申請號: 202210580845.7
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114956843A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 何江怡;成來飛;涂建勇;陳翔;江鴻寰;史思濤
• 申請（專利權）人: 西安鑫垚陶瓷復合材料有限公司
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/81;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 徐秦中

本發明涉及一種陶瓷基復合材料輕質點陣結構的制備方法，以解決現有陶瓷基復合材料輕質點陣結構的制備中采用纖維布制備中間連接導致的上、下層板之間纖維束不連續、性能存在各向異性、材料性能存在損失的技術問題。該方法包括：1、獲取半致密化上壓板和半致密化下壓板；2、加工縫制孔和走線凹槽，獲取初級上壓板和初級下壓板；3、獲取纖維繩預制體；4、采用纖維繩預制體對初級上壓板和初級下壓板連續縫制獲取初級陶瓷基復合材料輕質點陣結構；5、致密化后進行表面處理得到最終陶瓷基復合材料輕質點陣結構。

技術領域

本發明涉及陶瓷基復合材料點陣結構的制備方法，具體涉及一種陶瓷基復合材料輕質點陣結構的制備方法。

背景技術

連續碳纖維增強陶瓷基復合材料(Continuous Fiber Reinforced CeramicMatrix Composites，CFCC)繼承了陶瓷本身的低密度、高強度、抗氧化等優異特性，又克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱點，表現出類似于金屬的斷裂行為，且對裂紋不敏感、不易發生災難性斷裂，尤其是碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料，綜合了C/C復合材料和SiC陶瓷的優點，具有比強高、比模量高、溫度穩定性好、耐高溫、耐低溫、低密度等一系列優異性能，在高超聲速飛行器熱防護結構材料領域具有巨大的應用潛力。

化學氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration，CVI)是制備碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的成熟工藝，可以在900-1000℃的中溫、低壓或常壓條件下由氣態先驅體連續沉積復合材料的不同成分，即界面相、基體和外涂層。初始材料是n(通常n＝2或3)維多孔纖維預制體。采用CVI進行預制體制備過程中，界面相和SiC基體被沉積到預制體孔隙內部的纖維表面。采用CVI制備預制體具有以下突出優點：實用性強，制備溫度較低；有效實現復合材料在微觀尺寸上的成分設計；適于制備高纖維體積分數、形狀復雜、凈尺寸、尺寸范圍寬的制品；制備過程對纖維損傷小。

高超聲速飛行器在高速飛行過程中要承受氣動載荷和熱載荷的共同作用，熱防護機構是高速飛行器的關鍵結構之一，其保證飛行器外形結構完整，同時保護飛行器內部元器件能夠正常工作，熱防護系統需要滿足防熱、隔熱及結構承載的需求。高超聲速飛行器表面大面積溫度超過1600K，因此傳統的防熱材料如金屬TPS結構等已不能滿足使用要求。

近年來歐美等國家相關飛行器上均不同程度的采用C/SiC復合材料熱防護構件，但目前化學氣相沉積工藝C/SiC復合材料結構件主要采用在線鉚接或連接件連接制備，其工藝非常復雜，很難滿足輕質、高承載及防熱一體化結構。公開號為CN110204319A的中國專利提出了一種陶瓷基復合材料點陣結構的整體式制備方法，它主要從預制體設計著手，采用PIP工藝制備復合材料，但該預制體結構不適用于CVI工藝，并且PIP工藝需要反復高溫裂解，會導致復合材料性能出現一定損失。采用CVI工藝制備陶瓷基復合材料輕質點陣結構將會較大提高結構的承載及減重。

綜上所述，現有連續纖維增強陶瓷基復合材料輕質點陣結構的制備，存在著以下技術難點：(1)預制體成型困難、纖維絲不連續造成性能穩定性不足：傳統工藝制備的陶瓷基復合材料輕質點陣結構，采用多個內墊塊排列定型，上、下模具進行壓緊固定，該定型過程中各個內墊塊之間的定位精度難以保證，這將直接影響點陣結構側壁壁厚均勻性從而導致性能波動，而且隨著點陣結構長度方向的延伸，制備成本及累計誤差都將持續增大，不利于規模化生產；(2)點陣結構設計局限性大、性能存在各向異性：傳統工藝制備的陶瓷基復合材料輕質點陣結構，采用二維疊層鋪布定型點陣結構中部波紋部分，這將導致X向與Y向力學、熱學性能存在差異，不利于實際應用；(3)工藝復雜、制備周期長，材料性能存在損失：傳統工藝制備的陶瓷基復合材料輕質點陣結構，采用PIP工藝進行材料制備，而多輪次(8～20輪次)的浸漬-固化-裂解-高溫熱解將導致材料內部存在大量空洞，并且出現纖維受損，基體收縮，宏觀分層等不良情況，材料性能損傷不可避免。

發明內容