CN105774094B - 混合夹层陶瓷基体复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合夹层陶瓷基体复合材料。混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)可包括第一面板、第二面板和在第一面板和第二面板之间并结合至两者的芯。第一面板和第二面板各自可包括陶瓷基体中的纤丝。混合夹层CMC可配置用于暴露至其中第一面板比第二面板暴露至更高温度环境的热梯度。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且第一面板比第二面板可具有更高的压缩强度。

Description

混合夹层陶瓷基体复合材料
技术领域
本公开一般涉及陶瓷基体复合材料，并且更具体地，涉及暴露至热梯度的混合夹层陶瓷基体复合材料结构。
背景技术
陶瓷基体复合材料(CMC)是由具有嵌入其中的增强材料(如，颗粒、晶须、非织造纤维、织造纤维)的陶瓷基体构成的复合材料。由于CMC相对轻重量以及能够承受高的工作温度，它们在航空与航天应用中是有吸引力的材料。例如，由于CMC比目前使用的一些金属基结构(如，钛和镍基合金)在重量上更轻并且能够承受在排放温度下更长的暴露，它们对排放系统组件的结构可以是有益的。
已经探索了包括结合至两个一样的面板并处于其间的负荷转移芯层的CMC夹层结构作为飞行器应用的排放组件(参见美国专利申请公开号2009/0004425)。虽然有效果，但是当在夹层结构上存在高的热梯度时，特别是当面板受约束时，例如呈圆筒形夹层结构，CMC夹层组件可受到应力。具体而言，暴露至较高温度环境的面板(‘较热的面板’)膨胀或试图膨胀，但其受到相对的暴露至较冷环境的面板(‘较冷面板’)的抵抗。结果，由于较冷的面板的膨胀抵抗，较热的面板可受到压缩应力，同时较冷的面板可受到由较热的面板的收缩抵抗引起的拉伸应力。在一些极端条件下，这样的竞争性力可将CMC夹层组件推向其结构限度，并可出现结构损坏。
因此，存在现有技术的挑战和限制，其待被克服。具体而言，存在对在热梯度条件下具有提高的弹性的更坚固的CMC夹层结构设计的需要。
发明内容
根据本公开的一个方面，公开了混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)。混合夹层基体CMC可包括第一面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，第二面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，和在第一面板和第二面板两者之间并结合至两者的芯。混合夹层CMC可配置用于暴露至其中第一面板比第二面板暴露至更高温度环境的热梯度。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且第一面板比第二面板可具有更高的压缩强度。
根据本公开的另一方面，公开了混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)。混合夹层CMC可包括第一面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，第二面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，和在第一面板和第二面板两者之间并结合至两者的芯。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，但是纤丝直径、纤丝化学组成、正交各向异性的程度和纤丝与陶瓷基体之间的界面强度的至少一个可不同。
根据本公开的另一方面，公开了制作混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)的方法。方法可包括提供第一面板和第二面板，其中第一面板和第二面板各自包括在陶瓷基体的淤浆前体中的纤丝，并且其中第一面板和第二面板的纤丝直径、正交各向异性的程度和纤丝与陶瓷基体之间的界面强度的至少一个不同。方法可进一步包括在机床(tool)上铺叠第一面板，在第一面板上铺叠芯，和在芯上铺叠第二面板，由此在机床上提供叠层堆(layupstack)。另外，方法可进一步包括以第一温度固化叠层堆，和以第二温度烧结叠层堆，由此提供混合夹层CMC。
已经讨论的特征、功能和优点可以在各实施方式中单独地实现或可在又其它实施方式中组合，其进一步细节可参见下面的描述和附图。
附图说明
图1是根据本公开构建的混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)的透视图。
图2根据本公开构建的通过图1的截面2-2的横截面图。
图3是图2的细节3的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的第一面板。
图4是图2的细节4的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的第二面板。
图5是根据本公开的方法，示意性地图解预浸纤丝层的正交各向异性的叠层以提供第一面板的透视图。
图6是根据本公开的方法，示意性地图解预浸纤丝层的准各向同性的叠层以提供第二面板的透视图。
图7是图2的细节7的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的蜂窝状芯结构。
图8是类似于图7的展开图，但显示根据本公开的另一方面构建的泡沫芯结构。
图9是类似于图7的展开图，但显示根据本公开的另一方面构建的构架芯结构。
图10是具有排放系统的飞行器的透视图，该排放系统可具有由本公开的混合夹层CMC形成的组件。
图11是通过图10的界面11-11的横截面图，描绘中心主体和由本公开的混合夹层CMC形成的排放喷嘴。
图12是流程图，描绘根据本公开方法的可用于制作混合夹层CMC的一系列步骤。
应当理解，附图非必须按比例绘制，并且所公开的实施方式有时是示意性图解的。进一步应当理解，下面的详细描述实质上仅仅是示例性的，非旨在限制发明或申请及其用途。因此，尽管为了便于解释，本公开以某些示意性实施方式描绘和描述，应当理解，它可以各种其它类型的实施方式和以各种其它系统和环境实施。
具体实施方式
现在参考附图，并具体参考图1-2，显示混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)10。如本文所使用，术语“CMC”指由嵌入陶瓷基体的一种或多种增强材料构成的材料。另外，术语“混合夹层CMC”指在两个CMC面板之间具有芯的CMC材料，其中两个面板的至少一个物理性质不同。作为非限制性实例，混合夹层CMC 10可以是飞行器发动机的排放系统的组件，如在下面将进一步详细描述。混合夹层CMC 10可包括结合至第一面板14和第二面板16并在其之间的芯12。第一面板14和第二面板16两者均可由CMC材料形成。在本公开的一个方面，第一面板14、第二面板16和芯12各自可形成圆筒形结构，以便混合夹层CMC 10的整体形状是具有开放中心18的圆筒形，如所示。可选地，混合夹层CMC 10可具有另一类型的闭合构造，或可以其它方式约束，以致面板14和16的弯曲不能完全减轻两个面板14和16上的应力。因此，混合夹层CMC 10可具有其它三维形状，诸如，但不限于立方形、球形或锥形。
在一些操作条件下，混合夹层CMC 10可被暴露至高的热梯度，以便第一面板14(“较热的”面板)比第二面板16(“较冷的”面板)暴露至更高的温度环境(如，热的排气)。如本文所使用，“高的热梯度”指其中第一面板14和第二面板16之间的温度差至少是200°F或更高的条件。此外，取决于其应用，混合夹层CMC 10可在声学上处理以减少或吸收声音。例如，配置用于暴露至较高温度环境的面板(如，第一面板14)可具有通过其形成的穿孔20，由此使声音进入芯12的内部并在芯12的内部减弱。尽管在图2中描述第一面板14为内部面板，应当注意，在一些应用中，暴露至较高温度环境的面板可以是外部面板。
在高的热梯度条件下，较热的面板14可以试图在轴向、径向和圆周方向上比较冷的面板16膨胀更大。这些膨胀趋势可引起第一(较热)面板14中的压缩应力和第二(较冷的)面板16中拉伸应力的积聚。为了在这样的条件下承受混合夹层CMC 10上的应力，可定制第一面板14的CMC材料，以致第一面板14表现比其拉伸强度更高的压缩强度。作为非限制性可能，第一(较热)面板14的压缩强度可超过其拉伸强度大约1.5倍或更多。这样的定制可使面板14能够实现比如果以实现几乎相等的拉伸和压缩强度的目标构建材料可能的更大压缩强度。同样，可构建第二(较冷的)面板16的CMC材料，以致第二面板表现比其压缩强度更大的拉伸强度。作为非限制性可能，第二面板16的拉伸强度可超过其压缩强度大约1.5倍或更多。这样的定制可使第二面板16能够实现比如果以实现相等的拉伸和压缩强度的目标构建材料可能的更大拉伸强度。如本文所使用，术语“压缩强度”指当主要在圆周和轴向上压缩时，面板承受力的能力，和术语“拉伸强度”指当主要在圆周和轴向上膨胀牵拉时面板承受力的能力。这些强度可以针对其原始状态的材料或当材料具有存在的孔或损伤时。作为非限制性实例，第一面板14可具有大于大约25千磅每平方英寸(ksi)的压缩强度和大于大约5ksi的拉伸强度，同时第二面板16可具有大于大约25ksi的拉伸强度和大于大约5ksi的压缩强度。这样设计的结果，相比于使用两个具有几乎一样的拉伸强度和压缩强度的面板的现有技术的非混合夹层CMC，在高的热梯度条件下，混合夹层CMC 10可表现提高的坚固性和结构强度。
现转向图3-4，更详细地显示第一面板14和第二面板16的组成。第一面板14和第二面板16各自可由嵌入陶瓷基体24中的纤丝22构成。而且，第一面板14和第二面板16可各自由以陶瓷基体24预先浸渍的纤丝22的一个或多个固化的预浸层26形成(参见图5-6和下面进一步细节)。纤丝22可以是具有200或更大的纤维长度与直径比的连续的纤维，并且连续的纤维可以是单向的非织造带或织造织物的形式。连续的纤维可以是陶瓷纤维，尽管在一些情况中，也可使用以不可氧化的涂料涂覆的金属纤维和/或碳纤维。但是，纤丝22也可以是其它类型的增强材料，诸如，但不限于，短的/不连续的纤维、晶须或颗粒。另外，陶瓷基体24可包括氧化物陶瓷，诸如氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)和莫来石(mulite)(3Al2O3·2SiO2)，以及非氧化物陶瓷，诸如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)和碳(C)，尽管也可使用许多其它类型的陶瓷基体。
第一面板14和第二面板16均可由具有匹配或至少接近匹配的热膨胀系数(CTE)的CMC材料形成，从而混合夹层CMC 10能够经受其制造期间使用的高温烧结步骤。如本文所使用，“接近匹配的CTE”指在彼此的大约0.5×10-6微米/米/°F内的CTE。在一些情况下，CTE的这样小变化(在0.5×10-6微米/米/°F的等级)可以是可接受的并且甚至是有益的。例如，如果在工作期间暴露至较高温度的面板14具有比面板16稍稍低的CTE，那么在制作期间由烧结温度冷却可产生第一面板14中的残留拉伸应力和面板16中的残留压缩应力。这些残留应力可部分地抵消在工作期间暴露至热梯度之后引起的相反的应力，由此使混合CMC 10更好地在运行中承受高的热梯度。
为了提供匹配的或接近匹配的CTE，第一面板14和第二面板16可具有相同或相似的化学组成(即，相同的纤丝组成和相同的陶瓷基体组成)和可具有相同的或相似的基体24中纤丝22的体积分数。也应当注意，在一些情况下，面板14和16的纤丝22和/或陶瓷基体24的化学组成可不同，条件是两个面板14和16的CTE至少是接近匹配的。如在下面进一步详细解释的，第一面板14和第二面板16的纤丝22的直径、纤丝22的化学组成、正交各向异性的程度、和纤丝22和基体24之间的界面强度的至少一个可不同。正是这些差异可导致第一面板14中更高的压缩强度和第二面板16中更高的拉伸强度。作为一种可能，第一面板14的纤丝22的直径(d)可大于第二面板16的纤丝22的直径(d)(参见图3-4)。例如，第一面板14中的纤丝22的直径可至少大于第二面板16中纤丝22的直径大约2至10倍，尽管，在一些情况下，其可膨胀超过该范围。在这样的排布中，当第一面板14经受压缩应变时，第一面板14中较大直径的纤丝22可提高这些纤丝对微扭曲的抗性和/或这些纤丝对由于局部峰值应力引起的破坏的抗性，因此增加其压缩强度。而且，由于较小直径的纤丝可被制造具有较少结构缺陷，所以第二面板16中较小直径的纤丝22可提高其拉伸强度。
可选地，可改变纤丝22的化学组成以调节第一面板14和第二面板16的各自的压缩强度和拉伸强度。例如，氧化铝(Al2O3)纤丝可用于改变硅酸盐(或其它分子或元素)的百分比以调整面板14和16的各自的压缩强度和拉伸强度，尽管纤丝22的化学组成还可以许多其它方式改变。应当注意，面板14和16中纤丝的化学组成的这样的变化也可以用于调整面板14和16的相对CTE，诸如以提供第一面板14中稍稍较低的CTE。
作为另一可能，第一面板14和第二面板16的纤丝22可具有不同的与周围陶瓷基体24的界面强度。具体而言，第一面板14的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度可高于第二面板16的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度。第一面板14中较高的界面强度可相对于第二面板16增加其压缩性质，同时第二面板16中较弱的界面强度可相对于第一面板14增加其拉伸性质。
若干策略可用于调整第一面板14和第二面板16中纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度。例如，在纤丝22上的涂层和/或陶瓷基体24中的添加剂可用于增加第一面板14中纤丝22和陶瓷基体24之间的化学相容性，由此增加其压缩强度。可选地，低密度(或更多孔)陶瓷基体24，或不相容的涂层，可用于第二面板16来减小纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度。诸如这些用于调节复合材料界面强度的策略以及其它策略为本领域技术人员充分了解。另外，这样的方式可单独或组合使用以如期望的调整面板14和16的界面强度和它们相对的压缩强度和拉伸强度。
作为调整第一面板14和第二面板16各自的压缩强度和拉伸强度的又另一方法，第一面板14和第二面板16也可以在它们相对的正交各向异性度上改变。如本文所使用，术语“正交各向异性”表示在面板平面上在不同方向的面板性质不同，并且术语“准各向同性的”表示在面板平面上在所有方向上面板性质是相同的。具体而言，可使第一面板14比第二面板16更高度地正交各向异性，而使第二面板16准各向同性。具体而言，用于形成第一面板14的预浸层26(比第二面板16)可具有更高度地正交各向异性的叠层，其中相比于其它方向(如，45°、-45°、60°、-60°等)，更多的纤丝22以0°和/或90°方向取向(参见图5)。此外，用于形成第二面板16的预浸层26可具有准各向同性的叠层，其中相等量的纤丝22在0°、45°、-45°和90°方向的每个上取向(见图6)。本领域技术人员将理解，可选的准各向同性的叠层可也可具有以其它方向取向的相等量的纤丝22，诸如0°、60°、和-60°方向。由于这些叠层排布，更高度正交各向异性的第一面板14可具有提高的压缩性能，而由于-45°和45°取向的纤丝(和/或-60°和60°取向的纤丝等)可提供可行的负荷路径以围绕孔、缺陷或其它损伤转移张力负荷，准各向同性的第二面板16可具有提高的抗拉性能。进一步要注意的，尽管图4-5描绘了具有单向纤丝的预浸层26，但相似的叠层构思也可被用于具有织造纤丝的预浸层。
如本文所公开的用于调整面板14和16的各自的压缩强度和拉伸强度的构思可单独或组合使用。例如，在一些排布中，第一面板14可比第二面板16具有更大直径的纤丝和更高界面强度两者。作为另一实施例，第一面板14可比第二面板16具有更大直径的纤丝、更高的界面强度和更高度地正交各向异性的叠层。
现在参考图7-9，显示芯12的可能的结构。尽管可以使用对本领域技术人员明显的许多其它类型的芯结构，芯12可具有蜂窝状结构28(图7)、泡沫结构30(图8)或其中芯12包括连接面板14和16的对角元件的构架结构32(图9)。芯12可具有与第一面板14和第二面板16的CTE匹配或接近匹配的CTE(即，在0.5×10-6微米/米/°F以内)。在这点上，芯12可由具有与第一面板14和第二面板16相同或相似的化学组成(即，相同的纤丝和基体组成)的CMC形成。可选地，芯12可由具有与第一面板14和第二面板16的CTE匹配或至少接近匹配的CTE的其他耐受高温的材料形成。
在图10-11中显示了混合夹层CMC 10的非限制性应用。具体而言，混合夹层CMC 10可并入飞行器发动机36的排放系统34。排放系统34可包括排放喷嘴38和径向放置在排放喷嘴38内部以限定其间排气的流路42的中心主体40。混合夹层CMC 10可形成排放喷嘴38和中心主体40中任一个或两者的至少一部分，其中调整用于高压缩强度的第一面板14朝向流路42的热燃烧气体，和调整用于高拉伸强度的第二面板16朝向远离流路42，如所示。在排放系统34的快速温度变化期间，诸如在启动发动机36或在从空转加速发动机36至满功率期间，混合夹层CMC可暴露至高热梯度。与现有技术的非混合夹层CMC相比，第一面板14和第二面板16的调整的压缩强度和拉伸强度可提高混合夹层CMC 10承受由第一面板14的更大热膨胀引起的应力的能力。
现转向图12，描绘了用于制造本公开的混合夹层CMC 10的方法。由方框50开始，将第一面板14的预浸层26铺叠成堆以提供第一面板14。如果需要，在第一面板14中建立正交各向异性叠层，如上面所详细描述的(参见图5)。可获得预浸层26为以陶瓷基体24的淤浆前体预浸渍的纤丝织物，或可通过在陶瓷基体24的淤浆前体中浸泡纤丝织物生产它们。
如所示，按照接下来的方框54，然后可将第一面板14铺叠在圆柱形机床上(或能够产生期望形状的混合夹层CMC 10的其它适当的机床)。按照接下来的方框56和58，可将芯12铺叠在第一面板14上，和可将第二面板16铺叠在芯12上以在机床上提供叠层堆。如果需要，可铺叠第二面板16的预浸层26以建立如上面描述的准各向同性的排布(见图6)。与第一面板14一样，可获得第二面板16的预浸层26为以陶瓷基体24的淤浆前体预浸渍的纤丝织物，或可通过在陶瓷基体24的淤浆前体中浸泡纤丝织物生产它们。
按照接下来的方框60，然后可将在机床上的叠层堆压实并以第一温度固化，以使陶瓷基体24中的化合物将面板14、16和芯12弱结合到一起，作为可被操作并可支撑其自身重量的单一结构。可使用对本领域技术人员明显的技术和装置进行方框60，诸如热压、真空袋压成型(vacuum bagging)和热压罐成型(autoclaving)。然后可将固化的结构从机床移出，放置在炉中，以更高的第二温度烧结以更有力地将面板14、16和芯12结合在一起，并提供混合夹层CMC 10(方框62)。如上面所解释，第一面板14、第二面板16和芯12的匹配的CTE(或至少接近匹配的CTE)可使混合夹层CMC 10能够经受从烧结温度冷却，在一些情况下，其可在若干千华氏度的等级。
下面，在项A1-C20中，描述根据本公开的发明性主题的说明性的、非排他性的实例：
A1.一种混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)10，包括：
第一面板14，其包括陶瓷基体24中的纤丝22；
第二面板16，其包括陶瓷基体24中的纤丝22；和
芯12，其位于第一面板和第二面板之间并结合至第一面板和第二面板两者，混合夹层CMC配置用于暴露至其中第一面板比第二面板暴露至更高的温度环境的热梯度，第一面板和第二面板具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且第一面板比第二面板具有更高的压缩强度。
A2.项1的混合夹层CMC 10，其中第二面板16比第一面板14具有更高的拉伸强度。
A3.项1和2中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的压缩强度大于大约1.5倍第一面板的拉伸强度，和其中所述第二面板16的拉伸强度大于大约1.5倍第二面板的压缩强度。
A4.项1-3中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的纤丝22和所述第二面板16的纤丝22具有相同的化学组成，其中第一面板的陶瓷基体24和第二面板的陶瓷基体具有相同的化学组成，和其中第一面板中纤丝的体积分数等于第二面板中纤丝的体积分数。
A5.项1-4中任一项的混合夹层CMC 10，其中混合夹层CMC是圆筒形的。
A6.项1-5中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14中所述纤丝22的直径大于第二面板16中纤丝的直径。
A7.项1-6中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14比第二面板16更高度地正交各向异性。
A8.项1-7中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度大于第二面板16的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度。
A9.项1-8中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的热膨胀系数比第二面板16的热膨胀系数低。
A10.项1-9中任一项的混合夹层CMC 10，其中混合夹层CMC是飞行器排放系统34的组件的部件，并且其中第一面板14朝向飞行器排放系统的排气流路42。
B11.一种混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)10，包括：
第一面板14，其包括陶瓷基体24中的纤丝22；
第二面板16，其包括陶瓷基体24中的纤丝22；和
芯12，其位于第一面板和第二面板之间并结合至第一面板和第二面板两者，第一面板和第二面板具有至少接近匹配的热膨胀系数，但纤丝直径、纤丝的化学组成、正交各向异性程度以及纤丝和陶瓷基体之间的界面强度的至少一个不同。
B12.项11的混合夹层CMC 10，其中混合夹层CMC配置用于暴露至其中第一面板14比第二面板16暴露至更高的温度环境的热梯度。
B13.项11-12中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14比第二面板16具有更高的压缩强度。
B14.项11-13中任一项的混合夹层CMC 10，其中第二面板16比第一面板14具有更高的拉伸强度。
B15.项11-14中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的纤丝22的直径大于第二面板16的纤丝22的直径。
B16.项11-15中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14比第二面板16更高度地正交各向异性。
B17.项11-16中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度大于第二面板16的纤丝22和陶瓷基体24之间的界面强度。
B18.项11-17中任一项的混合夹层CMC 10，其中第一面板14的热膨胀系数比第二面板16的热膨胀系数低。
B19.项11-18中任一项的混合夹层CMC 10，其中混合夹层CMC是圆筒形的。
C20.一种用于制作混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)10的方法，其包括：
在机床上铺叠54第一面板14，第一面板包括陶瓷基体24中纤丝22的预浸层；
在第一面板上铺叠56芯12；
在芯层上铺叠58第二面板(16，由此提供叠层堆，第二面板包括陶瓷基体24中的纤丝22的预浸层，第一面板和第二面板的纤丝直径、纤丝的化学组成、正交各向异性的程度以及纤丝和陶瓷基体之间的界面强度的至少一个不同；
以第一温度固化60叠层堆；和
以第二温度烧结62叠层堆，由此提供混合夹层CMC。
工业适用性
一般而言，因此可见本文公开的技术在各种情况中具有工业适用性，包括但不限于使用CMC夹层组件的暴露至高热梯度的工业应用。本文公开的技术提供混合夹层CMC，其中两个相对的面板的压缩强度和拉伸强度被调整，从而混合夹层CMC组件在结构上足够坚固以承受高的热梯度。具体而言，暴露至较高温度环境的面板被调整为增强的抗压性质，而暴露至较冷的环境的相对的面板被调整为增强的抗拉性质。这些性质使混合夹层CMC与使用在两侧上具有相同抗压/抗拉性质的面板的现有技术的夹层CMC相比更好地承受由更高温度面板的较大热膨胀引起的应力。该技术可对夹层CMC结构特别地有用，其中两个面板被刚性地连接在一起并被约束，从而它不能轻易弯曲以减少由热梯度导致的应力，诸如为一些圆筒形结构。而且，与目前使用的金属基结构相比，由于本文中公开的混合夹层CMC结构在重量上更轻并且能够承受在排放温度下更长的暴露，它们可提供改善的飞行器排放系统组件。预期本文中公开的技术在宽范围的领域中找到广泛的工业适用性，包括但不限于飞行器排放系统应用。

Claims (9)

1.一种混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)(10)，包括：
第一面板(14)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；
第二面板(16)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；和
芯(12)，其位于所述第一面板和所述第二面板之间并结合至所述第一面板和所述第二面板两者，所述混合夹层CMC配置用于暴露至其中所述第一面板(14)与所述第二面板(16)之间的温度差是200°F或更多的热梯度，所述第一面板和所述第二面板具有在彼此的0.5×10-6微米/米/°F内的热膨胀系数，所述第一面板比所述第二面板具有更高的压缩强度，并且所述第一面板(14)中所述纤丝(22)的直径大于所述第二面板(16)中所述纤丝的直径。
2.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第二面板(16)比所述第一面板(14)具有更高的拉伸强度。
3.权利要求2所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)的压缩强度大于1.5倍所述第一面板的拉伸强度，并且其中所述第二面板(16)的拉伸强度大于1.5倍所述第二面板的压缩强度。
4.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)的纤丝(22)和所述第二面板(16)的所述纤丝(22)具有相同的化学组成，其中所述第一面板的所述陶瓷基体(24)和所述第二面板的所述陶瓷基体具有相同的化学组成，并且其中所述第一面板中所述纤丝的体积分数等于所述第二面板中所述纤丝的体积分数。
5.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述混合夹层CMC是圆筒形的。
6.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)比所述第二面板(16)更高度地正交各向异性。
7.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)的所述纤丝(22)和所述陶瓷基体(24)之间的界面强度大于所述第二面板(16)的所述纤丝(22)和所述陶瓷基体(24)之间的界面强度。
8.权利要求1-7中任一项所述的混合夹层CMC(10)，其中所述混合夹层CMC是飞行器排放系统(34)的组件的部件，并且其中所述第一面板(14)面向所述飞行器排放系统的排气流路(42)。
9.一种用于制作混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)(10)的方法，其包括：
在机床上铺叠(54)第一面板(14)，所述第一面板包括陶瓷基体(24)中纤丝(22)的预浸层；
在所述第一面板上铺叠(56)芯(12)；
在所述芯上铺叠(58)第二面板(16)，由此提供叠层堆，所述第二面板包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)的预浸层，所述第一面板和所述第二面板的纤丝的化学组成、正交各向异性的程度以及纤丝和陶瓷基体之间的界面强度的至少一个不同，其中所述第一面板(14)中所述纤丝(22)的直径大于所述第二面板(16)中所述纤丝的直径，并且所述第一面板和所述第二面板具有在彼此的0.5×10-6微米/米/°F内的热膨胀系数；
以第一温度固化(60)所述叠层堆；和
以第二温度烧结(62)所述叠层堆，以提供所述混合夹层CMC。
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