CN108081692A - 三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法，属于耐烧蚀复合材料领域。所述三维编织耐烧蚀复合材料板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层，表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层均采用耐高温填料改性的耐烧蚀树脂基体粘合剂配合三维编织预制体织物结构组成。本发明采用分次真空导入成型，具有力学刚性、力学强度与耐烧蚀性能综合集成，可用于军工和高温重要组成部件。

Description

三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐烧蚀复合材料领域，特别是指一种三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法。
背景技术
耐烧蚀复合材料通常在升温速率大于500℃每秒、工作温度在2000℃以上应用，需要承受高速气流冲刷及高速粒子侵蚀，是国防和航空航天领域重要的工程材料。其中耐烧蚀复合材料具有低比重、高比强度、高比模量、低热膨胀系数、耐烧蚀等一系列优异特性，在航空航天和高温耐烧蚀环境下有着其他材料无法比拟的应用前景。
目前采用的耐烧蚀复合材料基本为二维编织织物叠层采用耐烧蚀树脂浸渍之后热固化成型技术制备，其中二维叠层结构的纤维织物层间没有连续纤维增强，仅仅靠树脂粘合剂的粘合，层间结合强度较差，整体力学性能在高温环境下呈现不稳定的趋势，鉴于此，迫切需要一种新型结构的织物预制体作为复合材料耐烧蚀制品的增强结构应用。
发明内容
本发明提供一种三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法，整个结构采用分次真空导入成型，具有力学刚性、力学强度与耐烧蚀性能综合集成，可用于军工和高温重要组成部件。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种三维编织耐烧蚀复合材料板材，包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层，所述表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层均采用耐高温填料改性的耐烧蚀树脂基体粘合剂配合三维编织预制体织物结构组成。
进一步的，所述表面耐烧蚀层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，其中：
该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J；
该陶瓷纤维采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维或氮化硼纤维；
该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
进一步的，所述表面耐烧蚀层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂、呋喃树脂、聚醚醚酮树脂或环氧树脂，添加剂采用石墨粉体，所述石墨粉体在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％～20％。
进一步的，所述中间刚性层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，其中：
该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J；
该陶瓷纤维采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维或氮化硼纤维；
该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
进一步的，所述中间刚性层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂，添加剂采用耐高温沥青，所述耐高温沥青在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％-20％。
进一步的，所述表面耐烧蚀层和中间刚性层中的碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例均控制在1:1～4:1之间。
进一步的，所述内部强度层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维，该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J，该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
进一步的，所述内部强度层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂，添加剂采用环氧树脂，所述环氧树脂在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％-20％。
另一方面，本发明还提供一种上述的三维编织耐烧蚀复合材料板材的制备方法，采用分次真空导入固化成型的方式制备，包括：
步骤1：在基体板材上制备内部强度层，将三维编织预制体织物编织成型后利用真空导入浸渍改性耐烧蚀树脂粘合剂后进行固化成型制备内部强度层；
步骤2：待固化完毕后，在内部强度层表面采用混杂纤维三维编织预制体织物编织成型中间刚性层，之后浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，经过热固化之后形成中间刚性层；
步骤3：待热固化完毕后，在中间刚性层表面制备最外层的表面耐烧蚀层，表面耐烧蚀层采用混杂纤维三维编织预制体织物浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，最终进行热固化成型。
进一步的，分次真空导入热固化成型的真空度均控制在-0.06到-0.1MPa之间，分次固化所用的固化时间控制在1h～4h之间，固化温度控制在120℃～145℃之间。
本发明具有以下有益效果：
本发明的三维编织耐烧蚀复合材料板材及其制备方法，该板材的树脂基体在传统耐烧蚀树脂的基础上添加阻燃改性添加剂，采用三维混杂纤维编织结构，该板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分组成，整个结构采用分次真空导入固化成型，具有力学刚性、力学强度与耐烧蚀性能综合集成，可用于军工和高温重要组成部件。
附图说明
图1为本发明的三维编织耐烧蚀复合材料板材的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明提供一种三维编织耐烧蚀复合材料板材，如图1所示，包括表面耐烧蚀层1、中间刚性层2和内部强度层3，表面耐烧蚀层1、中间刚性层2和内部强度层3均采用耐高温填料改性的耐烧蚀树脂基体粘合剂配合三维编织预制体织物结构组成。
本发明的三维编织耐烧蚀复合材料板材，该板材的树脂基体在传统耐烧蚀树脂的基础上添加阻燃改性添加剂，采用三维混杂纤维编织结构，该板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分组成，整个结构采用分次真空导入固化成型，具有力学刚性、力学强度与耐烧蚀性能综合集成，可用于军工和高温重要组成部件。
进一步的，表面耐烧蚀层1采用改性耐高温树脂为基体粘合剂，采用混杂纤维三维编织结构增强，其中，表面耐烧蚀层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例可以根据设计要求灵活掌握，碳纤维可以采用T300、T700、T800、T1000、M40J、M60J中的任意一种，陶瓷纤维可以采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维、氮化硼纤维中的任意一种，三维编织预制体织物结构可以采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向，也可以采用2.5维结构进行制备。
优选的，表面耐烧蚀层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料可以采用酚醛树脂、呋喃树脂、聚醚醚酮树脂、环氧树脂中的任意一种，添加剂可以采用石墨粉体，石墨粉体在耐烧蚀树脂中的添加比例可以在5％～20％之间灵活调节。
进一步的，中间刚性层2中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，其中，碳纤维可以采用T300、T700、T800、T1000、M40J、M60J中的任意一种，陶瓷纤维可以采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维、氮化硼纤维中的任意一种，碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例可以根据中间刚性层的厚度及结构要求灵活掌握，三维编织预制体织物结构可以采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向，也可以采用2.5维结构进行制备。
优选的，中间刚性层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料可以采用酚醛树脂，添加剂采用耐高温沥青，耐高温沥青在耐烧蚀树脂中的添加比例可以在5％-20％之间灵活调节。
进一步的，表面耐烧蚀层和中间刚性层中的碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例均控制在1:1～4:1之间。
作为本发明的一种改进，内部强度层3中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维，碳纤维可以采用T300、T700、T800、T1000、M40J、M60J中的任意一种，三维编织预制体织物结构可以采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向，也可以采用2.5维结构进行制备。
本发明中，内部强度层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料可以采用酚醛树脂，添加剂可以采用环氧树脂，环氧树脂在耐烧蚀树脂中的添加比例可以在5％-20％之间灵活调节。
另一方面，本发明还提供一种上述的三维编织耐烧蚀复合材料板材的制备方法，整体结构采用分次真空导入固化成型的方式制备，具体可以包括：
步骤1：在基体板材上制备内部强度层，将三维编织预制体织物编织成型后利用真空导入浸渍改性耐烧蚀树脂粘合剂后进行固化成型制备内部强度层；
步骤2：待固化完毕后，在内部强度层表面采用混杂纤维三维编织预制体织物编织成型中间刚性层，之后浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，经过热固化之后形成中间刚性层；
步骤3：待热固化完毕后，在中间刚性层表面制备最外层的表面耐烧蚀层，表面耐烧蚀层采用混杂纤维三维编织预制体织物浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，最终进行热固化成型。
本发明的三维编织耐烧蚀复合材料板材的制备方法，该板材的树脂基体在传统耐烧蚀树脂的基础上添加阻燃改性添加剂，采用三维混杂纤维编织结构，该板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分组成，整个结构采用分次真空导入固化成型，具有力学刚性、力学强度与耐烧蚀性能综合集成，可用于军工和高温重要组成部件。
进一步的，分次真空导入热固化成型的真空度均控制在-0.06到-0.1MPa之间，分次固化所用的固化时间和固化温度根据树脂的固化工艺灵活掌握，分次固化所用的固化时间可以控制在1h～4h之间，固化温度可以控制在120℃～145℃之间。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本发明范围的限制。
实施例1
一种三维编织耐烧蚀复合材料板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分，采用分次真空导入固化成型的方式制备，首先在基体板材上制备内部强度层，选用T300制备三维四向预制体织物，制备完毕后采用5％环氧树脂改性的酚醛树脂为基体原料采用-0.06MPa的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在140℃热固化2小时成型厚度为6mm的内部强度层，最终基体含量为30％；
在内部强度层表面采用M40J碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是碳化硅纤维)制备三维五向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例可以控制在1:1，采用10％耐高温沥青改性酚醛树脂为基体原料采用-0.06MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在120℃热固化1小时成型厚度为3mm的中间刚性层，最终基体含量为30％；
在中间刚性层表面采用T800碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是氧化铝纤维)制备三维六向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在2:1，采用15％石墨粉体改性酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在130℃热固化2小时成型厚度为4mm的表面耐烧蚀层，最终基体含量为60％。
实施例2
一种三维编织耐烧蚀复合材料板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分，采用分次真空导入固化成型的方式制备，首先在基体板材上制备内部强度层，选用T800制备三维七向预制体织物，制备完毕后采用20％环氧树脂改性的酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在145℃热固化1.2小时成型厚度为5mm的内部强度层，最终基体含量为39％；
在内部强度层表面采用M60J碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是氧化铝纤维)制备三维六向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在3:1，采用20％耐高温沥青改性酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在140℃热固化4小时成型厚度为5mm的中间刚性层，最终基体含量为40％；
在中间刚性层表面采用T1000碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是碳化硼纤维)制备2.5维结构预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在4:1，采用20％石墨粉体改性呋喃树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在140℃热固化1小时成型厚度为4mm的表面耐烧蚀层，最终基体含量为40％。
实施例3
一种三维编织耐烧蚀复合材料板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分，采用分次真空导入固化成型的方式制备，首先在基体板材上制备内部强度层，选用T800制备2.5维结构预制体织物，制备完毕后采用20％环氧树脂改性的酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在130℃热固化2小时成型厚度为4mm的内部强度层，最终基体含量为45％；
在内部强度层表面采用M60J碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是碳化硼纤维)制备三维四向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在3:1，采用10％耐高温沥青改性酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在120℃热固化2小时成型厚度为6mm的中间刚性层，最终基体含量为60％；
在中间刚性层表面采用T300碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是氮化硼纤维)制备三维四向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在1:1，采用20％石墨粉体改性聚醚醚酮树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在120℃热固化4小时成型厚度为6mm的表面耐烧蚀层，最终基体含量为60％。
实施例4
一种三维编织耐烧蚀复合材料板材包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层三部分，采用分次真空导入固化成型的方式制备，首先在基体板材上制备内部强度层，选用T1000制备三维六向预制体织物，制备完毕后采用5％环氧树脂改性的酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在130℃热固化3小时成型厚度为5mm的内部强度层，最终基体含量为30％；
在内部强度层表面采用M40J碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是碳化硼纤维)制备三维五向预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在1:1，采用5％耐高温沥青改性酚醛树脂为基体原料采用-0.1MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在120℃热固化4小时成型厚度为3mm的中间刚性层，最终基体含量为50％。
在中间刚性层表面采用T700碳纤维混杂陶瓷纤维(可以是碳化硅纤维)制备2.5维结构预制体织物，其中碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例控制在3:1，采用10％石墨粉体改性酚醛树脂为基体原料采用-0.06MPa范围的真空导入进行树脂浸渍复合，之后在140℃热固化1小时成型厚度为3mm的表面耐烧蚀层，最终基体含量为44％。
在本发明中，制备方法的条件不同，得到的三维编织耐烧蚀复合材料板材的性能会有不同，为更好地证明本发明的高强度、高刚度、耐烧蚀性能，构建如下对比例：
对比例1：
一种二维编织耐烧蚀复合材料板材，将表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层的三维编织预制体织物结构替换为二维叠层结构的纤维织物，其余条件与实施例4相同，制备和使用方法也与实施例4相同。
对上述实施例1-4和对比例1制备的耐烧蚀复合材料板材对强度、刚度和耐烧蚀等性能进行测试，测试结果见表1。
表1
由表1可知，本发明的三维编织耐烧蚀复合材料板材与对比例1相比，其强度高、刚度高、耐烧蚀性能好，由表1还可以看出，实施例3的性能最好。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，包括表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层，所述表面耐烧蚀层、中间刚性层和内部强度层均采用耐高温填料改性的耐烧蚀树脂基体粘合剂配合三维编织预制体织物结构组成。
2.根据权利要求1所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述表面耐烧蚀层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，其中：
该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J；
该陶瓷纤维采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维或氮化硼纤维；
该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
3.根据权利要求1或2所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述表面耐烧蚀层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂、呋喃树脂、聚醚醚酮树脂或环氧树脂，添加剂采用石墨粉体，所述石墨粉体在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％～20％。
4.根据权利要求1所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述中间刚性层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维混杂陶瓷纤维，其中：
该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J；
该陶瓷纤维采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硼纤维或氮化硼纤维；
该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
5.根据权利要求1或4所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述中间刚性层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂，添加剂采用耐高温沥青，所述耐高温沥青在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％-20％。
6.根据权利要求2或4所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述表面耐烧蚀层和中间刚性层中的碳纤维与陶瓷纤维的混杂比例均控制在1:1～4:1之间。
7.根据权利要求1所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述内部强度层中的三维编织预制体织物结构采用碳纤维，该碳纤维采用T300、T700、T800、T1000、M40J或M60J，该三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向或者2.5维结构进行制备。
8.根据权利要求1或7所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材，其特征在于，所述内部强度层中的耐烧蚀树脂基体粘合剂的基体原料采用酚醛树脂，添加剂采用环氧树脂，所述环氧树脂在所述耐烧蚀树脂中的添加比例为5％-20％。
9.一种权利要求1-8任一所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材的制备方法，其特征在于，采用分次真空导入固化成型的方式制备，包括：
步骤1：在基体板材上制备内部强度层，将三维编织预制体织物编织成型后利用真空导入浸渍改性耐烧蚀树脂粘合剂后进行固化成型制备内部强度层；
步骤2：待固化完毕后，在内部强度层表面采用混杂纤维三维编织预制体织物编织成型中间刚性层，之后浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，经过热固化之后形成中间刚性层；
步骤3：待热固化完毕后，在中间刚性层表面制备最外层的表面耐烧蚀层，表面耐烧蚀层采用混杂纤维三维编织预制体织物浸渍改性耐烧蚀树脂基体粘合剂，最终进行热固化成型。
10.根据权利要求9所述的三维编织耐烧蚀复合材料板材的制备方法，其特征在于，分次真空导入热固化成型的真空度均控制在-0.06到-0.1MPa之间，分次固化所用的固化时间控制在1h～4h之间，固化温度控制在120℃～145℃之间。
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