CN102830001A - 陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法 - Google Patents

陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，用于解决现有方法制备缺陷标样易变形和尺寸控制难的技术问题。技术方案是通过制作带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体，在带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体上化学气相沉积法（CVD）沉积热解碳、CVI浸渗碳化硅基体，制备出陶瓷基复合材料分层缺陷标样。使用该方法制备分层缺陷标样过程不会产生应力使预置缺陷变形屈曲，预置缺陷分解不会导致分层缺陷粘连，而且该方法制备的分层缺陷容易通过无损检测来识别，可评价检测设备对分层缺陷的适用性、灵敏度和精度，缺陷形状尺寸与所设计的缺陷完全吻合，不会发生边缘翘曲的问题。

Description

陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料分层缺陷标样的制备方法，特别是涉及一种陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法。
背景技术
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（以下简称CMCs）具有优异的高温力学性能、低密度、耐腐蚀、耐磨损等优点，被认为是极具潜力的高温结构部件候选材料。然而，它具有非均质、非致密、各向异性的结构特征，容易导致分层、夹杂、气孔、密度不均等缺陷的产生。
考虑到CMCs制备工艺的特点，在碳布叠层内部极易产生分层缺陷。在CMCs材料使用过程之中，分层缺陷部位会成为承载的薄弱环节，严重影响CMCs的使用寿命。采用合适的无损检测方法和分层标样对CMCs分层缺陷进行有效的检测、保证成品的质量、提高产品的可靠性都将起到至关重要的作用。
文献“W.Krenkel，J.M.Hausherr，T.Reimer，M.Frieβ.Design，Manufacture andQuality Assurance of C/C-SiC Composites for Space Transportation Systems.28thInternational Conference on Advanced Ceramics and Composites B：Ceramic Engineeringand Science Proceedings，Volume 25，Issue 4”公开了一种在纤维增强聚合物基复合材料（以下简称CFRP）层板中埋置不同形状和大小塑料薄膜Hostaphan制备无损检测试样的方法，其不足之处在于该方法在CFRP中夹杂的塑料薄膜人工缺陷并非严格的分层气隙。塑料薄膜随聚合物基体挤压制备过程中自身屈曲容易与基体发生粘连变形，破坏模拟缺陷的尺寸和形状，使设计的缺陷与实际得到的缺陷出现较大差异，造成其他不可预料的缺陷形式，失去标样的意义。
发明内容
为了克服现有的方法制备的缺陷标样易变形和尺寸控制难的不足，本发明提供一种陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法。该方法通过制作带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体，在带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体上化学气相沉积法（CVD）沉积热解碳、CVI浸渗碳化硅基体，制备出陶瓷基复合材料分层缺陷标样。使用该方法制备分层缺陷标样过程不会产生应力使预置缺陷变形屈曲，预置缺陷分解不会导致分层缺陷粘连，而且该方法制备的分层缺陷容易通过无损检测来识别，可评价检测设备对分层缺陷的适用性、灵敏度和精度，缺陷形状尺寸与所设计的缺陷完全吻合，不会发生边缘翘曲的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特点是包括以下步骤：
（1）将2D[0°/90°]碳纤维布依次叠放若干层；
（2）将聚四氟乙烯薄膜裁剪成缺陷2的形状。
（3）将经步骤（2）裁剪所得的聚四氟乙烯薄膜缺陷2摆放在经步骤（1）叠放的碳纤维布1叠层上面，再依次叠加若干层2D[0°/90°]碳纤维布1；
（4）用两块多孔的定型石墨模板将上述叠层好的带有缺陷2的碳纤维布1夹紧，采用接力式针刺方法将模板与中间的叠层碳纤维布1缝合好，得到碳纤维预制体；
（5）将所得碳纤维预制体采用CVD沉积热解C界面层，得到C/C复合材料；工艺条件为：沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，丙烯流量25～35ml/min，Ar气流量250～350ml/min，沉积时间40～60h；在制备热解碳界面层过程中，聚四氟乙烯发生分解，产生氟光气和全氟异丁烯，气态产物从碳纤维预制体孔隙中溢出，形成空气分层。
（6）采用CVI浸渗SiC基体，预沉积时间160小时，得到C/SiC复合材料坯体后脱模；工艺条件为：沉积温度800～1000℃，压力2～4kPa，H2气流量150～250ml/min，Ar气流量250～350ml/min，三氯甲基硅烷温度25～35℃，H2与MTS的摩尔比为8～12，形成半成品陶瓷基复合材料；未分解完全的聚四氟乙烯继续分解，按照步骤（5）继续形成分层缺陷。
（7）按步骤（6）相同条件再沉积200小时，得到较致密的C/SiC复合材料后，对材料表面进行粗加工，减少闭气孔。
（8）按步骤（6）相同条件再沉积160小时，得到致密的C/SiC复合材料后精加工，得到陶瓷基复合材料分层缺陷标样。
本发明的有益效果是：由于通过制作带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体，在带有聚四氟乙烯缺陷的碳纤维预制体上化学气相沉积法（CVD）沉积热解碳、CVI浸渗碳化硅基体，制备出陶瓷基复合材料分层缺陷标样。使用该方法制备分层缺陷标样过程不会产生应力使预置缺陷变形屈曲，预置缺陷分解不会导致分层缺陷粘连，而且该方法制备的分层缺陷容易通过无损检测来识别，可评价检测设备对分层缺陷的适用性、灵敏度和精度，缺陷形状尺寸与所设计的缺陷完全吻合，不会发生边缘翘曲的问题。
由于聚四氟乙烯在327℃以上发生熔融，在400℃以上开始分解，在C/SiC母板CVI制备过程中，温度高达900～1100℃，聚四氟乙烯已经分解而形成空气分层。聚四氟乙烯是一种不粘连、抗酸碱、抗各种有机溶剂的材料。在高温下粘度很高，不易流动，具有很强的可控性，缺陷边界清晰、无翘曲，能够保证最终所制备的分层缺陷形状与大小与设计具有高度的一致性。所制备分层缺陷的大小、厚度、形状容易控制。制备得到的分层缺陷与实际分层缺陷具有相同的特性。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例聚四氟乙烯薄膜在C/SiC复合材料中位置分布示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明方法实施例1制备的长方形分层缺陷标样红外热成像图。
图4是本发明方法实施例1制备的长方形分层缺陷标样X射线成像图。
图5是本发明实方法施例1制备的长方形分层缺陷标样工业CT平切图。
图6是图5沿A-A方向的CT剖切图。
图7是本发明方法实施例2制备的阶梯形分层缺陷标样红外热成像图。
图中，1-碳纤维布，2-缺陷。
具体实施方式
以下实施例参照图1～7。
实施例1：长方形分层缺陷标样。
（1）将2D[0°/90°]碳纤维布1依次叠放12层；
（2）将0.2mm厚的聚四氟乙烯薄膜裁剪成长方形形状作为缺陷2，本实施例中，放置的长方形缺陷2长为130mm，宽为50mm；
（3）将经步骤（2）裁剪所得的聚四氟乙烯薄膜摆放在经步骤（1）叠放的碳纤维布1叠层上面，再依次叠加12层2D[0°/90°]碳纤维布1；
（4）用两块多孔的定型石墨模板将上述叠层好的带有缺陷2的碳纤维布1夹紧，采用接力式针刺方法将模板与中间的叠层碳纤维布1缝合好。得到密度为0.6g/cm3的碳纤维预制体；
（5）将所得的碳纤维预制体采用CVD沉积热解C界面层，得到密度为1.6g/cm3的C/C复合材料；工艺条件为：沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，丙烯流量25～35ml/min，Ar气流量250～350ml/min，沉积时间40～60h；在制备热解碳界面层过程中，聚四氟乙烯发生分解，产生氟光气和全氟异丁烯，气态产物从预制体孔隙中溢出，形成空气分层。
（6）采用CVI浸渗SiC基体，预沉积时间160小时，得到C/SiC复合材料坯体后脱模；工艺条件为：沉积温度800～1000℃，压力2～4kPa，H2气流量150～250ml/min，Ar气流量250～350ml/min，三氯甲基硅烷温度25～35℃，H2与MTS的摩尔比为8～12，形成半成品陶瓷基复合材料；未分解完全的聚四氟乙烯继续分解，按照步骤（5）继续形成分层缺陷。
（7）按照与步骤（6）相同的条件再沉积200小时，得到较致密的C/SiC复合材料后，对材料表面进行粗加工，减少闭气孔。
（8）按照与步骤（6）相同的条件再沉积160小时，得到致密的C/SiC复合材料后精加工，得到带人工模拟分层缺陷的C/SiC复合材料无损检测标样。
对本实施例制备的C/SiC复合材料分层缺陷标样进行红外无损检测、X射线实时成像检测和工业CT检测。从图3、图4中可以看出：聚四氟乙烯在高温下分解形成了分层缺陷，与图1所设计的缺陷完全一致。分层缺陷的边界清晰，图像直观。从红外热成像图中可以清楚的看到矩形暗区，其尺寸与排布方式与所设计的缺陷一致。从图像上的暗区测得分层缺陷尺寸为130.1mm×50.8mm，尺寸误差最大仅为1.6％。从图5、图6所示的工业CT平切图中还可以看出，C/SiC复合材料具有较高的致密度和均匀性，没有受埋置缺陷的影响。
实施例2：阶梯形分层缺陷标样。
（1）将2D[0°/90°]碳纤维布依次叠放12层；
（2）将0.2mm厚的聚四氟乙烯薄膜裁剪成不同大小的长方形形状作为缺陷2，本实施例中，放置缺陷的长为130mm，宽分别为40mm、50mm、60mm、70mm形成阶梯形缺陷2。
（3）将经步骤（2）裁剪所得的阶梯形聚四氟乙烯薄膜缺陷2摆放在经步骤（1）叠放的碳纤维布1叠层上面，再依次叠加12层2D[0°/90°]碳纤维布1；
（4）用两块多孔的定型石墨模板将上述叠层好的带有缺陷2的碳纤维布1夹紧，采用接力式针刺方法将模板与中间的叠层碳纤维布1缝合好。得到密度为0.6g/cm3的碳纤维预制体；
（5）将所得碳纤维预制体采用CVD沉积热解C界面层，得到密度为1.6g/cm3的C/C复合材料；工艺条件为：沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，丙烯流量25～35ml/min，Ar气流量250～350ml/min，沉积时间40～60h；在制备热解碳界面层过程中，聚四氟乙烯发生分解，产生氟光气和全氟异丁烯，气态产物从预制体孔隙中溢出，形成空气分层。
（6）采用CVI浸渗SiC基体，预沉积时间160小时，得到C/SiC复合材料坯体后脱模；工艺条件为：沉积温度800～1000℃，压力2～4kPa，H２气流量150～250ml/min，Ar气流量250～350ml/min，三氯甲基硅烷温度25～35℃，H2与MTS的摩尔比为8～12，形成半成品陶瓷基复合材料；未分解完全的聚四氟乙烯继续分解，按照步骤（5）继续形成分层缺陷。
（7）按步骤（6）相同条件再沉积200小时，得到较致密的C/SiC复合材料后，对材料表面进行粗加工，减少闭气孔。
（8）按步骤（6）相同条件再沉积160小时，得到致密的C/SiC复合材料后精加工，得到带人工模拟分层缺陷的C/SiC复合材料无损检测标样。
对本实施例制备的C/SiC复合材料分层缺陷标样进行红外无损检测，从图7中可以看出：聚四氟乙烯在高温下分解形成了阶梯形分层缺陷，形状和尺寸与所设计的缺陷完全一致，分层缺陷的边界清晰，图像直观。红外测得阶梯形分层缺陷的长为130.2mm，宽分别为39.7mm、50.2mm、59.8mm、70.1mm，最大尺寸误差为0.75％。
上述实施例中，设计的缺陷2是聚四氟乙烯薄膜，其形状按照模拟缺陷的需要可以是长方形、正方形、圆、椭圆、三角形、阶梯形等，或是任意可能缺陷的形状；其厚度可以是任意厚度，一般根据模拟缺陷厚度的需要选择，如0.1mm，0.2mm，0.3mm等；聚四氟乙烯薄膜的放置位置，可以是同一层碳布面内任意位置，也可以是不同层碳布面内任意位置。

Claims (7)

1.一种陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将2D[0°/90°]碳纤维布1依次叠放若干层；
（2）将聚四氟乙烯薄膜裁剪成缺陷2的形状；
（3）将经步骤（2）裁剪所得的聚四氟乙烯薄膜缺陷2摆放在经步骤（1）叠放的碳纤维布1叠层上面，再依次叠加若干层2D[0°/90°]碳纤维布1；
（4）用两块多孔的定型石墨模板将上述叠层好的带有缺陷2的碳纤维布1夹紧，采用接力式针刺方法将模板与中间的叠层碳纤维布1缝合好，得到碳纤维预制体；
（5）将所得碳纤维预制体采用CVD沉积热解C界面层，得到C/C复合材料；工艺条件为：沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，丙烯流量25～35ml/min，Ar气流量250～350ml/min，沉积时间40～60h；在制备热解碳界面层过程中，聚四氟乙烯发生分解，产生氟光气和全氟异丁烯，气态产物从碳纤维预制体孔隙中溢出，形成空气分层；
（6）采用CVI浸渗SiC基体，预沉积时间160小时，得到C/SiC复合材料坯体后脱模；工艺条件为：沉积温度800～1000℃，压力2～4kPa，H2气流量150～250ml/min，Ar气流量250～350ml/min，三氯甲基硅烷温度25～35℃，H2与MTS的摩尔比为8～12，形成半成品陶瓷基复合材料；未分解完全的聚四氟乙烯继续分解，按照步骤（5）继续形成分层缺陷；
（7）按步骤（6）相同条件再沉积200小时，得到较致密的C/SiC复合材料后，对材料表面进行粗加工，减少闭气孔；
（8）按步骤（6）相同条件再沉积160小时，得到致密的C/SiC复合材料后精加工，得到陶瓷基复合材料分层缺陷标样。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的形状是长方形、正方形、圆、椭圆、三角形或阶梯形的任一种或任几种。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的厚度是0.1mm。
4.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的厚度是0.2mm。
5.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的厚度是0.3mm。
6.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的放置位置在同一层碳纤维布面内任意位置。
7.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料分层缺陷标样的制备方法，其特征在于：所述缺陷2的放置位置在不同层碳纤维布面内任意位置。
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