CN110467473A - 一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，该方法首先将氧化铝纤维织物浸渍于PVA的乙醇溶液中，在其表面制备含碳涂层；然后将氧化铝陶瓷前驱体溶液与陶瓷粉体和烧结助剂粉体混合配制陶瓷料浆，再将料浆涂刷于表面已制备含碳涂层的氧化铝纤维织物表面制备氧化铝纤维预浸料，再通过预浸料的铺层、热压、烧结工艺过程获得氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料。在烧结过程中，含碳涂层氧化分解从而在纤维与基体间产生间隙型界面层。

Description

一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法
技术领域
本发明是一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
氧化铝/氧化铝陶瓷基复合材料是指以氧化铝陶瓷为基体，与氧化铝纤维复合的一类材料，这类材料具有密度低、耐高温、抗氧化等特点。与SiC基复合材料相比，氧化铝/氧化铝陶瓷基复合材料具有更好的环境稳定性，而且成本更低，该材料有可能在1000℃-1400℃的燃气环境中长期服役。氧化铝/氧化铝陶瓷基复合材料具有优异的高温抗氧化性能，是应用于高温有氧环境的理想候选材料，在航空航天热端部件如发动机燃烧室、尾喷管等部位有着巨大的应用潜力。
氧化铝/氧化铝陶瓷基复合材料的设计主要采用了两类基本原理，一是采用纤维界面层；二是采用足够弱的基体，如多孔基体。采用界面层的设计方案制备的复合材料的力学性能更优。
现有技术中，在制备界面层时采用了化学气相沉积或高温裂解工艺，制备界面层的温度较高，时间较长，可能对氧化物纤维性能造成一定影响，最终影响复合材料的性能。
发明内容
本发明正是针对上述上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其目的是使制备的复合材料含有间隙型界面层，界面层的制备温度较低，工艺过程相对简单，材料制备周期短。
本发明的技术解决方案是：
该种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法的步骤如下：
步骤一、将氧化铝纤维织物浸渍于PVA的乙醇溶液中，在其表面制备含碳涂层；
步骤二、将氧化铝陶瓷前驱体溶液、氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂粉体混合置于球磨罐中球磨，制成分散均匀的氧化铝陶瓷料浆；
氧化铝陶瓷前驱体溶液、氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂粉体的重量百分比为：10wt％～40wt％、55wt％～85wt％、0.5wt％～5wt％；
步骤三、将氧化铝陶瓷料浆涂刷在氧化铝纤维织物表面的含碳涂层上，置于空气中干燥至原重量的80％～90％，获得预浸料；
步骤四、将预浸料在模具中铺层，铺层完毕后于真空压机中进行热压处理，然后将热压后的预成型体在陶瓷烧结炉中进行烧结，最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料。
在一种实施中，氧化铝陶瓷粉体的粒径为0.1～0.3μm。该粒径范围内的氧化铝粉体具有较好的烧结活性，同时，采用该粒径粉体制备的陶瓷料浆黏度较为合适。
在一种实施中，所述烧结助剂粉体为氧化钙粉、氧化镁粉、氧化硅粉、氧化镧粉、氧化锰粉、氧化钛粉中的一种或几种的混合物。烧结助剂的添加有利于氧化铝陶瓷粉体的烧结。
在一种实施中，所述氧化铝陶瓷前驱体溶液为聚铝氧烷。聚铝氧烷溶液为中性，不会对氧化铝纤维性能造成不利影响。
在一种实施中，所述氧化铝纤维织物的编织方式为平纹、斜纹或锻纹。
在一种实施中，步骤一中，PVA的乙醇溶液的浓度为5％PVA的乙醇溶液。
在一种实施中，步骤一中，所述含碳涂层的制备方法是将氧化铝纤维织物浸渍在PVA的乙醇溶液中5-10min，取出后放置在空气中待有机溶剂完全挥发，然后在500℃～600℃下保温2小时。该制备过程中温度较低，不会对氧化铝纤维性能造成不利影响。
在一种实施中，步骤四中，预浸料在模具中铺层数为6～12层，在陶瓷烧结炉中的烧结温度为1100℃～1300℃，烧结时间为0.5～8小时。进一步，烧结时间为0.5～6小时。在此烧结条件下，可以尽量降低烧结过程对纤维性能造成的不利影响。
在一种实施中，最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料中氧化铝纤维的体积分数为30％～50％。进一步，最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料中氧化铝纤维的体积分数为40％～50％。将纤维体积分数控制在该范围内，制备的复合材料具有最佳的力学性能。
本发明的优点和特点：
1、本发明在纤维表面制备间隙型界面层，含碳涂层的制备温度为500℃～600℃，明显低于常见的CVI工艺(一般为1000℃以上)，在烧结过程中，含碳涂层氧化分解产生间隙型界面层，这一制备过程避免了高温对纤维性能的损伤；
2、本发明采用的氧化铝陶瓷前驱体溶液为中性，可以避免溶胶料浆由于酸碱性过强造成的纤维强度下降或粉化，从而发挥纤维增强体的最大效能。
3、本发明采用的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，由于陶瓷料浆中氧化铝粉体和烧结助剂粉体的添加，在制备复合材料时，只需浸渍一次即可完成材料制备，后期不需要采用陶瓷前驱体反复浸渍，因此，具有生产工艺相对简单、生产周期短的特点，适于复合材料的批量、低成本生产。
具体实施方式
以下结合具体实例说明氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法。在本发明专利基础上，通过简单改变或替换，但具有相似技术效果的技术均属于本发明权利保护范围。
实施例1
制备本发明所述氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：
1、将氧化铝纤维织物浸渍于含5％PVA的乙醇溶液中，5-10min取出；将浸渍后的纤维织物放置在空气中待有机溶剂完全挥发，然后将纤维织物在550℃下处理2小时制备含碳涂层。重复上述步骤3次，含碳涂层厚度达到6nm；
2、将粒径为0.1μm的氧化铝粉体55wt％、氧化钙粉体1.5wt％、氧化镁粉体1.0wt％、氧化硅粉体2.5wt％、聚铝氧烷溶液40wt％，置于球磨罐中球磨混合均匀，获得分散均匀的氧化铝陶瓷料浆；将制备的陶瓷料浆均匀涂刷于氧化铝纤维斜纹织物表面，并置于空气中干燥至原重量的85％，即获得预浸料；将预浸料在模具中铺层，铺层完毕后于真空压机中进行热压处理，然后将热压后的预成型体在陶瓷烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100℃，烧结时间为6小时，最终获得氧化铝陶瓷基复合材料。
氧化铝陶瓷基复合材料密度为2.78g/cm3，拉伸强度为190MPa。
实施例2
制备本发明所述氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：
1、将氧化铝纤维织物浸渍于含5％PVA的乙醇溶液溶液中，5-10min取出；将浸渍后的纤维织物放置在空气中待有机溶剂完全挥发，然后将纤维织物在550℃下处理2小时制备含碳涂层。重复上述步骤4次，含碳涂层厚度达到8nm。
2、将粒径为0.2μm的氧化铝粉体60wt％、氧化锰粉体3.0wt％、氧化钛粉体1.5wt％、氧化镧粉体0.5wt％、聚铝氧烷溶液35wt％，置于球磨罐中球磨混合均匀，获得分散均匀的氧化铝陶瓷料浆；将制备的陶瓷料浆均匀涂刷于氧化铝纤维锻纹织物表面，并置于空气中干燥至原重量的85％，即获得预浸料；将预浸料在模具中铺层，铺层完毕后于真空压机中进行热压处理，然后将热压后的预成型体在陶瓷烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为4小时，最终获得氧化铝陶瓷基复合材料。
氧化铝陶瓷基复合材料密度为2.93g/cm3，拉伸强度为255MPa。
实施例3
制备本发明所述氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的方法的步骤如下：
1、将氧化铝纤维织物浸渍于含5％PVA的乙醇溶液溶液中，5-10min取出；将浸渍后的纤维织物放置在空气中待有机溶剂完全挥发，然后将纤维织物在550℃下处理2小时制备含碳涂层。重复上述步骤5次，含碳涂层厚度达到10nm。
2、将粒径为0.3μm的氧化铝粉体70wt％、氧化锰粉体2.0wt％、氧化钛粉体1.5wt％、氧化钙粉体1.0wt％、氧化镧粉体0.5wt％、聚铝氧烷溶液25wt％，置于球磨罐中球磨混合均匀，获得分散均匀的氧化铝陶瓷料浆；将制备的陶瓷料浆均匀涂刷于氧化铝纤维平纹织物表面，并置于空气中干燥至原重量的85％，即获得预浸料；将预浸料在模具中铺层，铺层完毕后于真空压机中进行热压处理，然后将热压后的预成型体在陶瓷烧结炉中进行烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为2小时，最终获得氧化铝陶瓷基复合材料。
氧化铝陶瓷基复合材料密度为2.87g/cm3，拉伸强度为220MPa。

Claims (11)

1.一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将氧化铝纤维织物浸渍于PVA的乙醇溶液中，在其表面制备含碳涂层；
步骤二、将氧化铝陶瓷前驱体溶液、氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂粉体混合置于球磨罐中球磨，制成分散均匀的氧化铝陶瓷料浆；
氧化铝陶瓷前驱体溶液、氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂粉体的重量百分比为：10wt％～40wt％、55wt％～85wt％、0.5wt％～5wt％；
步骤三、将氧化铝陶瓷料浆涂刷在氧化铝纤维织物表面的含碳涂层上，置于空气中干燥至原重量的80％～90％，获得预浸料；
步骤四、将预浸料在模具中铺层，铺层完毕后于真空压机中进行热压处理，然后将热压后的预成型体在陶瓷烧结炉中进行烧结，最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：氧化铝陶瓷粉体的粒径为0.1～0.3μm。
3.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂粉体为氧化钙粉、氧化镁粉、氧化硅粉、氧化镧粉、氧化锰粉、氧化钛粉中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述氧化铝陶瓷前驱体溶液为聚铝氧烷。
5.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述氧化铝纤维织物的编织方式为平纹、斜纹或锻纹。
6.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，PVA的乙醇溶液的浓度为5％PVA的乙醇溶液。
7.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述含碳涂层的制备方法是将氧化铝纤维织物浸渍在PVA的乙醇溶液中5-10min，取出后放置在空气中待有机溶剂完全挥发，然后在500℃～600℃下保温2小时。
8.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，预浸料在模具中铺层数为6～12层，在陶瓷烧结炉中的烧结温度为1100℃～1300℃，烧结时间为0.5～8小时。
9.根据权利要求8所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，烧结时间为0.5～6小时。
10.根据权利要求1所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料中氧化铝纤维的体积分数为30％～50％。
11.根据权利要求10所述的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：最终获得含界面层的氧化铝陶瓷基复合材料中氧化铝纤维的体积分数为40％～50％。
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