CN108285354A - 一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料及方法，在纤维增强石英陶瓷复合材料孔隙内均匀分散填充有机硅树脂，所述的有机硅树脂通过升温固化，复合材料中有机硅质量含量不低于2％。本发明采用有机硅树脂进行液相浸渍固化防潮的方式，利用二氧化硅复合材料体系中的原有孔隙，运用压力渗透扩散可以实现有机硅树脂对复合材料内外可接触表面的整体覆盖和疏水，并且有机硅的交联固化可键合材料中的大部分硅羟基，从源头杜绝材料亲水，有利于复合材料的长期防潮。
Description
技术领域
本发明涉及一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料及方法，属于陶瓷复合材料技术领域。
背景技术
天线罩/窗作为武器导引系统的透波窗口，发挥着透波、隔热、承载及耐冲刷等多种用途，是寻的系统不可或缺的重要组成部分。纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料具有耐高温、低介电、抗烧蚀、高韧性、低热导等众多优点，因此在高速、高温、大载荷武器透波构件中得到了广泛的应用。但纤维增强二氧化硅复合材料特殊的成型工艺导致材料内部的孔隙率高且残留一定量的硅羟基，使得纤维增强二氧化硅复合材料具有较强的亲水或吸湿性能，而水分是介电常数及损耗极大的物质，这对于保证二氧化硅复合材料及其构件介电性能的稳定是非常不利的。因此，对纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料及其构件进行防潮处理是十分必要的。
目前，材料的防潮方法通常有三类：第一类，采用高气密性的塑料膜进行表面粘贴铺覆防潮，如聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜等。虽然这类薄膜具有良好的气密性，能够有效阻隔水汽向材料内部的渗透、扩散，确保材料的介电性能稳定；但是此类薄膜的延展性较差、附着力不强，在异形结构、半封闭结构或具有不可展面结构材料构件上平整铺覆十分困难，且这类有机薄膜的使用温度低、耐环境性差，从而极大的限制其应用范围。第二类，采用有机涂料喷涂在材料表面形成漆膜进行防潮，如聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂等。这类涂料具有良好的成膜性和表面附着力，形成的漆膜具有较低的表面能和良好的疏水性能。但是，这类有机涂料的分子结构较大、分子间间距或孔隙明显高于聚乙烯、聚丙烯，较大的分子孔隙难以阻隔水分子的缓慢渗透，且材料内部的残留羟基对穿透涂层的水分子具有较强的亲和及束缚作用。因此，有机涂层的表面防护难以确保纤维增强二氧化硅陶瓷材料及制品在长期存放过程中的介电性能稳定，耐贮存性能较差。第三类，有机硅氧烷的气相疏水方式，如甲氧基硅烷或乙氧基硅烷等。这类防潮试剂通过气化渗入材料内部并与基材化学结合，发挥疏水防潮作用。然而，有机硅氧烷中含有大量的-OR活性官能团，与纤维上羟基的反应会导致纤维微裂纹的扩展，损伤纤维强度；同时多官能度的硅氧烷分别与纤维和基体反应形成桥连，提高复合材料的界面结合力，导致复材的断裂韧性和力学强度迅速降低，难以满足使用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能长期防潮、对介电性能、力学性能、耐温性能影响小的防潮纤维增强石英陶瓷复合材料及方法。
本发明的技术解决方案：一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，在纤维增强石英陶瓷复合材料孔隙内均匀分散填充有机硅树脂，所述的有机硅树脂通过升温固化，复合材料中有机硅质量含量不低于2％。
所述的有机硅树脂分子式为(RO-[SiR1OHO]n-R2)，R可以是CH3或C2H5，R1可以是CH3或C2H5，R2可以是CH3或C2H5，n范围在10～30之间。
本发明采用有机硅的低聚物，流动性更好，更易均匀地渗透到陶瓷复合材料中，得到优异的防潮性能。纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅树脂的含量直接影响复合材料的防潮性能，含量越高，防潮性能越好；有机硅树脂的含量若太少，复合材料的防潮效果不明显，含量太多，会对复合材料的电性能产生影响，尤其是在高温环境中，有机硅树脂的残碳对电性能影响更为明显。优选复合材料中有机硅质量含量为2％～5％，在此范围内既能保证复合材料具有良好的防潮性能，对其电性能影响较小。
所述的有机硅树脂通过液相浸渍分散与纤维增强石英陶瓷复合材料孔隙内。
所述的液相浸渍工艺中有机硅树脂与溶剂组成混合溶液，混合溶液中有机硅树脂的固含量优选10％～30％，在此固含量范围内，液相浸渍工艺性好，有机硅树脂能更易均匀浸渍到复合材料中。固含量太少，复合材料中有机硅树脂含量要到达要求，需要进行较多次数浸渍，效率低，固含量太对，工艺性下降，不好均匀浸渍。
一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，通过以下步骤实现：
第一步，纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料干燥；
干燥为本领域公知技术，本领域技术人员可以根据需要进行设置，也可采用如下优选干燥工艺：
将需要防潮处理的二氧化硅陶瓷复合材料或其构件放入烘箱，从室温缓慢升温，将材料内部的吸附水烘干去除，干燥过程可设置多个保温阶段，最高处理温度250℃～300℃，干燥时间8h～12h，干燥后自然降温。
第二步，有机硅树脂溶液制备，
将有机硅树脂与有机溶液混合均匀，得到固含量为10％～30％的有机硅树脂溶液，此时有机硅树脂溶液具有较好的流动性并易于复合材料中有机硅的增量控制；
本发明采用的有机硅树脂其侧基为甲基或乙基，疏水性好且高温条件下残碳率低。有机溶剂可采用苯、甲苯、乙醇、丁醇等，但考虑到操作安全性、溶解性及挥发性，优选乙醇加丁醇为混合溶剂。
第三步，将第一步干燥后的纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料浸渍第二步制备的有机硅树脂溶液中；
液相浸渍中采用真空浸渍或是压力浸渍，具体工艺为本领域公知技术。
如下为真空浸渍工艺：将干燥降温后的二氧化硅陶瓷材料或构件放入可抽真空的模具，产品与模具内壁通过支架或垫块托起，使产品与模具间有充分的间隙供树脂流动。装模后，对模腔抽真空至真空度不低于0.09MPa。然后，利用模腔真空，从底部将预先配置的有机硅树脂吸入模腔，至二氧化硅陶瓷材料或构件被全部淹没(必要时可在模具顶部继续抽真空至有树脂流出)。然后，保持材料或构件在有机硅树脂中浸渍12h及以上。
本步骤浸渍工艺中浸渍时间是根据要浸渍的复合材料厚度确定，只要是保证完全浸透复合材料即可，具体的浸渍时间本领域技术人员根据实际情况来选择。
第四步，干燥；
将浸泡的二氧化硅陶瓷材料或构件从模具中取出，放置在通风良好或具有排风功能的场所，让材料中的溶剂挥发排尽，室温条件下自然干燥24h以上。本步骤为本领域公知技术，本领域技术人员根据实际情况进行设置。
第五步，固化。
将晾干后的材料或构件放入具备鼓风功能的烘箱，逐步升温固化,固化过程中可设置若干保温平台，固化温度120℃～140℃，固化时间6h～10h，固化后自然降温。本步骤为本领域公知技术，本领域技术人员根据实际情况进行设置。
若通过一次浸渍未达到预期的材料中有机硅树脂的增量要求，可以按照上述步骤并结合材料孔隙率及硅树脂固含量计算进行多次浸渍及固化处理。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用有机硅树脂进行液相浸渍固化防潮的方式，利用二氧化硅复合材料体系中的原有孔隙，运用压力渗透扩散可以实现有机硅树脂对复合材料内外可接触表面的整体覆盖和疏水，并且有机硅的交联固化可键合材料中的大部分硅羟基，从源头杜绝材料亲水，有利于复合材料的长期防潮；
(2)本发明采用的有机硅树脂中硅氧含量高且活性适中，有机硅高温下残碳率极低且挥发分少，对材料的介电、力学性能影响小，并有利于部件整体隔热，高温适应性强，能更好的满足高温透波及隔热的应用需求；
(3)本发明操作工艺更简单、方便、灵活，不受构件外形及尺寸的影响，适用性强；
(4)本发明通过湿热试验(40℃、90％湿度，处理24h)后材料吸湿率小于1％；
(5)本发明采用通过确定有机硅树脂的结构，具有良好的流动性、憎水性、成膜性及残碳率低等特点，易于均匀分散到复合材料中，使复合材料具有优良的防潮能力。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。
实施例1
1、干燥
将尺寸为50mm*100mm*20mm的石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料放入烘箱，从室温缓慢升温至70℃、保温2h，再升温至120℃、保温2h，继续升温至170℃、保温1h，进一步升温至230℃、保温1h，再升温至300℃、保温2h，自然降温。
2、有机硅树脂溶液
称取1000g的有机硅树脂(CH3O-[SiCH3OHO]10-C2H5)，按照质量比加入混合溶剂(其中乙醇：丁醇为1：1)，调整树脂固含量为10％，搅拌均匀，密封保存。
3、真空浸渍、干燥
将干燥后的陶瓷材料块放入带支架的真空浸渍罐，预抽真空至真空表压为-0.092MPa，关闭真空泵后，从浸渍罐底部将预先配置的有机硅树脂吸入罐中，关闭阀门后保持材料块体在有机硅树脂中浸泡12h。然后，释放真空将陶瓷材料取出后自然凉置24h。
4、固化
将晾干后的材料放入烘箱，从室温缓慢升温至60℃、保温1h，进一步升温至80℃、保温2h，再升温至100℃、保温2h，继续升温至140℃、保温1h，自然降至室温。
本实例制得的具有防潮性能的纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅含量达到2.2％，材料600℃下介电常数增加0.05；在40℃、90％湿度条件下，处理24h，复合材料陶瓷块体吸湿率仅为0.7％。
实施例2
1、干燥
将尺寸为50mm*100mm*20mm的石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料放入烘箱，从室温缓慢升温至70℃、保温2h，再升温至120℃、保温2h，继续升温至170℃、保温2h，进一步升温至200℃、保温2h，再升温至240℃、保温1h，再升温至270℃、保温1h，自然降温。
2、有机硅树脂溶液
称取1000g的有机硅树脂(CH3O-[SiC2H5OHO]20-CH3)，按照质量比加入混合溶剂(其中乙醇：丁醇为1：1)，调整树脂固含量为20％，搅拌均匀，密封保存。
3、真空浸渍、干燥
将陶瓷材料块放入带支架的真空浸渍罐，预抽真空至真空表压为-0.094MPa，关闭真空泵后，从浸渍罐底部将预先配置的有机硅树脂吸入罐中，关闭阀门后保持材料块体在有机硅树脂中浸泡18h。然后，释放真空将陶瓷块体材料取出后自然凉置30h。
4、固化
将晾干后的材料放入烘箱，从室温缓慢升温60℃、保温2h，升温80℃、保温2h，再升温至100℃、保温2h，继续升温至130℃、保温2h，自然降至室温。
本实例制得的具有防潮性能的纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅含量达到3.4％，材料600℃下介电常数增加0.07；在40℃、90％湿度条件下，处理24h，复合材料陶瓷块体吸湿率仅为0.5％。
实施例3
1、将尺寸为50mm*100mm*20mm的石英纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料放入烘箱，从室温缓慢升温至70℃、保温2h，再升温至110℃、保温2h，继续升温至150℃、保温2h，进一步升温至180℃、保温2h，再升温至200℃、保温1h，再升温至220℃、保温1h，继续升温至250℃、保温2h，自然降温。
2、有机硅树脂溶液
称取1000g的有机硅树脂(C2H5O-[SiCH3OHO]30-CH3)，按照质量比加入混合溶剂(其中乙醇：丁醇为1：1)，调整树脂固含量为30％，搅拌均匀，密封保存。
3、真空浸渍、干燥
将陶瓷材料块放入带支架的真空浸渍罐，预抽真空至真空表压为-0.09MPa，关闭真空泵后，从浸渍罐底部将预先配置的有机硅树脂吸入罐中，关闭阀门后保持材料块体在有机硅树脂中浸泡24h。然后，释放真空将陶瓷块体材料取出后自然凉置24h。
4、固化
将晾干后的材料放入烘箱，从室温缓慢升温60℃、保温2h，升温80℃、保温2h，再升温至100℃、保温2h，继续升温至120℃、保温3h，自然降至室温。
本实例制得的具有防潮性能的纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅含量达到4.9％，材料600℃下介电常数增加0.1；在40℃、90％湿度条件下，处理24h，复合材料陶瓷块体吸湿率仅为0.3％。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，其特征在于：在纤维增强石英陶瓷复合材料孔隙内均匀分散填充有机硅树脂，所述的有机硅树脂通过升温固化，复合材料中有机硅质量含量不低于2％。
2.根据权利要求1所述的一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，其特征在于：所述的有机硅树脂分子式为(RO-[SiR1OHO]n-R2)，R为CH3或C2H5，R1为CH3或C2H5，R2为CH3或C2H5，n范围在10～30之间。
3.根据权利要求1所述的一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，其特征在于：所述的有机硅质量含量为2％～5％。
4.根据权利要求1所述的一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，其特征在于：所述的有机硅树脂通过液相浸渍分散与纤维增强石英陶瓷复合材料孔隙内。
5.根据权利要求1所述的一种防潮纤维增强石英陶瓷复合材料，其特征在于：所述的液相浸渍工艺中有机硅树脂与溶剂组成混合溶液，混合溶液中有机硅树脂的固含量为10％～30％。
6.一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料干燥；
第二步，制备固含量为10％～30％的有机硅树脂溶液；
第三步，将第一步干燥后的纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料浸渍第二步制备的有机硅树脂溶液中；
第四步，干燥；
第五步，固化。
7.根据权利要求6所述的一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，其特征在于：所述第二步中有机硅树脂分子式为(RO-[SiR1OHO]n-R2)，R为CH3或C2H5，R1为CH3或C2H5，R2为CH3或C2H5，n范围在10～30之间。
8.根据权利要求6所述的一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，其特征在于：所述第三步至第五步重复若干次。
9.根据权利要求6所述的一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，其特征在于：所述纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅质量含量不低于2％。
10.根据权利要求6所述的一种纤维增强石英陶瓷复合材料防潮方法，其特征在于：所述纤维增强石英陶瓷复合材料中有机硅质量含量为2％～5％。
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