CN113999056B

CN113999056B - 一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法

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Publication number: CN113999056B
Application number: CN202111274355.6A
Authority: CN
Inventors: 刘海韬; 邓归航; 陈晓菲; 孙逊; 田正豪
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN113999056A

Abstract

本发明涉及氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料技术领域，具体公开了一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，包括复合材料表面损伤修复方法，包括以下步骤：清理受损部位无效的受损组织；制备修补材料；将修补材料填充到受损部位并压实，采用便携式加热设备进行干燥、烧结，完成初步修复；采用刷子在初步修复表面刷涂浆料

Description

一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法

技术领域

本发明属于氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料技术领域，特别涉及一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料修复方法。

背景技术

我国航空航天装备对相关材料体系提出了轻质化、高强韧化、高可靠化、耐受更高温度等更高要求，以连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料为代表的先进复合材料，具有减重效果优异、强度高、可靠性好、耐高温性能卓越等优点，在航空航天装备上获得越来越充分的应用。连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料包括石英纤维、铝硅酸盐纤维、氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料，与非氧化物纤维增强陶瓷基复合材料相比，不存在高温氧化问题，能够在高温有氧环境下长时间工作，且成本低，是先进复合材料重点研究领域。

比如，氧化铝纤维增强氧化铝复合材料(氧化铝/氧化铝复合材料)具有耐高温、抗氧化、高强度、高韧性、耐腐蚀和耐磨损等优异特性，是未来航空发动机等装备高温部位的重要备选材料。与传统高温合金比，氧化铝/氧化铝复合材料的密度只有前者的1/4～1/3，且耐温更高，可在1200℃高温下长时服役，是制备航空发动机喷管、混合器、发动机衬套等热端部件的理想材料。再比如，石英纤维增强石英复合材料作为连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的一个种类，具有密度低、热膨胀系数小、导热系数低、耐高温、抗热冲击、抗腐蚀和介电性能好等优点，是航天高温透波构件(天线罩、天线窗)的理想材料之一。

氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料部件在服役过程中会受到异物冲击、摩擦、碰撞，或者在装备日常维护保养过程中，由于工具刮蹭、跌落等因素，均会对氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料造成损伤，导致其承载能力下降或者出现严重的结构问题，已在实际应用过程中引起广泛重视。国外对氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料部件的损伤修复工作相当重视，例如美国波音公司针对航空发动机中心锥开展了损伤修复工作，但并未公开太多资料。国内未见氧化物/氧化物复合材料损伤修复工作的相关报道。为了降低部件的使用成本(不严重的结构性损伤修复后可正常使用)，特殊环境下确保修复后装备的出勤率，考虑到损坏部件特殊原因不具备拆解返厂条件，同时装备服役过程中现场难以配备施工的大型设备，因此，需要开发连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料现场修复方法，以满足连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料现场修复要求。

发明内容

本发明针对连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料被异物冲击、碰撞或摩擦形成的表面损伤(未贯穿)或者贯穿损伤，提供一种工艺简单、修复时间短、能够现场实施的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，修复后的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的结构和性能得到较好恢复。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，所述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料中的增强纤维为石英纤维、铝硅酸盐纤维或氧化铝纤维，陶瓷基体为二氧化硅、氧化铝、莫来石或者及其混合物，所述修复方法包括复合材料表面损伤修复方法，所述复合材料表面损伤修复方法包括以下步骤：

(1)清理复合材料受损部位无效的受损组织；

(2)制备修补材料：所述修补材料由与复合材料增强纤维相同的短切纤维和浆料I组成，浆料I包括以下重量份原料：氧化铝粉或石英粉45～60份、磷酸二氢铝8～12份、硅酸钠5～8份、氧化镁2～4份、丙烯酸聚合物分散剂0.5～1.5份、去离子水30～40份，将短切纤维浸泡在浆料I中，得到修补材料I；

(3)将修补材料填充到受损部位并压实，采用便携式加热设备进行干燥，填充厚度高于受损深度；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料表面损伤的初步修复；

(4)采用刷子在初步修复表面刷涂浆料II，通过便携式加热设备进行干燥，重复刷涂-干燥3～5次，完成后致密化处理；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料表面损伤修复；

所述浆料II包括以下重量份原料：氧化铝粉或石英粉20～30份、铝溶胶或硅溶胶70～80粉、丙烯酸聚合物分散剂0.5～1.5份，浆料II加入铝溶胶或硅溶胶，易于实现渗透和孔隙填充，更利于致密化。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述浆料I的制备过程为：将丙烯酸聚合物分散剂加入去离子水中得到混合溶液，加入氧化铝粉或石英粉，采用小型便携式砂磨机研磨1～2h；然后加入磷酸二氢铝、硅酸钠和氧化镁，继续研磨0.5～1h，得到浆料I；

所述浆料II的制备过程为：将丙烯酸聚合物加入铝溶胶或硅溶胶中得到混合液，加入氧化铝粉或石英粉，采用小型便携式砂磨机研磨1～2h，得到浆料II。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述氧化铝粉粒径为0.05～0.3μm，所述石英粉粒径小于5μm。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述铝溶胶和硅溶胶的粘度<5mPa·5，所述铝溶胶的陶瓷产率不低于15wt％，所述硅溶胶的陶瓷产率不低于20wt％。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述步骤(2)中，短切纤维长度不超过损伤最大尺寸，浆料I的用量为短切纤维重量的1～4倍。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述步骤(3)中，进行逐层填充并干燥，每次填充厚度为1～2mm，多次填充- 干燥，直至填充厚度高于受损深度。逐层填充能够降低孔隙，有利于提高修复后的复合材料的力学性能。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述步骤(3)中，干燥温度为150～200℃、干燥时间为0.5～1h，烧结温度为900～1100℃、烧结时间为10～30min；所述步骤(4)中，干燥温度为100～150℃、干燥时间为15～30min，烧结温度为900～1100℃、烧结时间为10～30min；在烧结过程中，待修复区域周边采用保温棉遮盖进行保温。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，还包括复合材料贯穿损伤修复方法，所述复合材料贯穿损伤修复方法包括以下步骤：

S1.清理复合材料受损部位无效的受损组织；

S2.复合材料损伤区域背面采用表面涂抹脱模油的塑料板随形覆盖，塑料板四周采用胶带牢固粘接在复合材料背面；塑料板为贯穿损伤提供支撑，并且涂抹脱模油后容易去除；

S3.将修补材料逐层填充到受损部位并压实，然后采用便携式加热设备进行干燥，通过多次填充-干燥，使最终填充厚度高于受损深度；去除塑料板，采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料击穿损伤区域的初步修复；

S4.采用刷子在初步修复表面刷涂浆料II，通过便携式加热设备进行干燥，重复刷涂-干燥3～5次，完成后致密化处理；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料贯穿损伤修复。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述步骤S3中，干燥温度为150～200℃、干燥时间为0.5～1h，每次填充厚度为 1～2mm，烧结温度为900～1100℃、烧结时间为10～30min；所述步骤S4中，干燥温度为100～150℃、干燥时间为15～30min，烧结温度为900～1100℃、烧结时间为10～30min；在烧结过程中，待修复区域周边采用保温棉遮盖。

优选的，上述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，所述便携式加热设备为：干燥过程采用热风枪，烧结过程采用红外加热器或者石英灯加热器。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，采用填充修补和刷涂致密化进行连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料损伤修复，修复工艺过程简单，修复所用到的工具和设备简单便携，修复周期短，成本低，现场修复的可行性强。修复后的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料损伤修补区域表面平整，内部结构完整，损伤修复后复合材料力学性能保持率高，表现出较好的结构恢复性。

2.本发明的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，通过调控修复材料中成分及含量，使得烧结后的修复组织与复合材料匹配性好、结合完好，还能够降低烧结温度和缩短烧结时间，实现低温快速烧结，降低了对加热设备的要求；采用短切纤维填充，通过短切纤维交错增强效果，使修复后的复合材料结构完整和力学性能良好。

3.本发明的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法中，浆料I中分散剂的加入可以维持浆料的高固相含量；磷酸二氢铝为粘结剂，具有低温固化特性，氧化镁能够促进磷酸二氢铝的固化，使浆料在低温快速固化；硅酸钠粘结性高，可进一步增强修补浆料的粘结性。通过调控浆料I组分和组分含量调节浆料粘度，使得浆料I粘度适中，易于施工，各组分相互作用使修复组织和受损区域周边的复合材料组织结合强。铝溶胶或硅溶胶具有粘度低，易于实现渗透和孔隙填充，与氧化铝粉或石英粉混合制得的浆料II具有粘度低，渗透性强，且陶瓷产率高。

附图说明

图1为本发明实施例1中贯穿损伤的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料样板照片。

图2为本发明实施例1中贯穿损伤的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料损伤进行填充干燥后的样板照片。

图3为本发明实施例1中修复后的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料样板正面和背面照片。

图4为本发明实施例1中修复后的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料样板截面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例1

本实施例针对氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料贯穿损伤(见图1)，受损区域面积为10mm×15mm，样板厚度为3mm，损伤样板见图1，提供一种氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料贯穿损伤的修复方法，包括以下步骤：

S1.清理复合材料受损部位无效的受损组织；

S2.在复合材料损伤区域背面采用表面涂抹脱模油的塑料板随形覆盖，塑料板四周采用胶带牢固粘接在复合材料背面；

S3.制备修补材料：修补材料由氧化铝短切纤维和浆料I组成，浆料I由以下重量份原料组成：氧化铝粉末55份、磷酸二氢铝10份、硅酸钠6份、氧化镁3份、丙烯酸聚合物分散剂1.5份、去离子水38份；将氧化铝短切纤维浸泡在浆料I中，得到修复材料；浆料I的用量为氧化铝短切纤维重量的3倍，氧化铝短切纤维的长度为10～15mm；

S4.将修补材料逐层填充到受损部位并压实，每次填充厚度为1.0～1.2mm，然后采用热风枪进行干燥，在200℃下干燥0.5h，通过3次填充-干燥，使最终填充厚度稍高于受损深度(见图2)；去除塑料板，在修复区域周边采用保温棉遮盖，采用红外加热器进行烧结，在1000℃下烧结30min；打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料击穿损伤区域的初步修复；

S5.采用刷子在初步修复表面刷涂浆料II，通过热风枪进行干燥，在150℃下干燥15min，重复刷涂-干燥4次，完成后致密化处理；在修复区域周边采用保温棉遮盖保温，采用红外加热器进行烧结，在1000℃下烧结30min；打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料贯穿损伤修复；

所述浆料II由以下重量份原料组成：氧化铝粉末25份、铝溶胶75粉、丙烯酸聚合物分散剂0.8份。

浆料I的制备过程为：将丙烯酸聚合物分散剂加入去离子水中得到混合溶液，加入氧化铝粉，氧化铝粉粒径为0.1～0.2μm，采用小型便携式砂磨机研磨 1.5h；然后加入磷酸二氢铝、硅酸钠和氧化镁，继续研磨0.5h，得到浆料I；

浆料II的制备过程为：将丙烯酸聚合物加入铝溶胶中得到混合液，铝溶胶的粘度为3mPa·s，铝溶胶的陶瓷产率为20wt％，加入氧化铝粉，采用小型便携式砂磨机研磨2h，得到浆料II。

本实施例修复后的氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料表面和背面照片如图3所示，从图中可以看出复合材料样板表面平整，无明显缺陷，形貌恢复性良好。图4为氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料截面图，图中标识区域为修复区域，从图中可以看出，修复区域与复合材料未受损区域间结合良好无孔隙，结构完整，修复组织内纤维交错呈无序结构，修复后的复合材料样板的内部结构得到较好的恢复。通过三点弯曲测试复合材料样板的弯曲性能，复合材料完好状态下的初始弯曲性能为267.02MPa，击穿损伤-修复后的复合材料样板弯曲性能为182.79MPa，修复后的弯曲强度保留率68.5％。说明采用本发明的修复方法进行损伤修复，修复后复合材料力学性能保持率高，表现出较好的结构恢复性。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，所述连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料中的增强纤维为石英纤维、铝硅酸盐纤维或氧化铝纤维，陶瓷基体为二氧化硅、氧化铝、莫来石或者其混合物，所述修复方法包括复合材料表面损伤修复方法，其特征在于，所述复合材料表面损伤修复方法包括以下步骤：

（1）清理复合材料受损部位无效的受损组织；

（2）制备修补材料：所述修补材料由与复合材料增强纤维相同的短切纤维和浆料Ⅰ组成，浆料Ⅰ包括以下重量份原料：氧化铝粉或石英粉45~60份、磷酸二氢铝8~12份、硅酸钠5~8份、氧化镁2~4份、丙烯酸聚合物分散剂0.5~1.5份、去离子水30~40份，将短切纤维浸泡在浆料Ⅰ中，浆料Ⅰ的用量为短切纤维重量的1~4倍，得到修补材料；

（3）将修补材料填充到受损部位并压实，采用便携式加热设备进行干燥，填充厚度高于受损深度；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料表面损伤的初步修复；

（4）采用刷子在初步修复表面刷涂浆料Ⅱ，通过便携式加热设备进行干燥，重复刷涂-干燥3~5次，完成后致密化处理；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料表面损伤修复；

所述浆料Ⅱ包括以下重量份原料：氧化铝粉或石英粉20~30份、铝溶胶或硅溶胶70~80粉、丙烯酸聚合物分散剂0.5~1.5份；所述铝溶胶和硅溶胶的粘度<5mPa.s，所述铝溶胶的陶瓷产率不低于15wt%，所述硅溶胶的陶瓷产率不低于20wt%；

所述步骤（3）中，干燥温度为150~200℃、干燥时间为0.5~1h，烧结温度为900~1100℃、烧结时间为10~30min；所述步骤（4）中，干燥温度为100~150℃、干燥时间为15~30min，烧结温度为900~1100℃、烧结时间为10~30min；在烧结过程中，待修复区域周边采用保温棉遮盖。

2.根据权利要求1所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述浆料I的制备过程为：将丙烯酸聚合物分散剂加入去离子水中得到混合溶液，加入氧化铝粉或石英粉，采用小型便携式砂磨机研磨1~2h；然后加入磷酸二氢铝、硅酸钠和氧化镁，继续研磨0.5~1h，得到浆料I；

所述浆料Ⅱ的制备过程为：将丙烯酸聚合物加入铝溶胶或硅溶胶中得到混合液，加入氧化铝粉或石英粉，采用小型便携式砂磨机研磨1~2h，得到浆料Ⅱ。

3.根据权利要求1或2所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述氧化铝粉粒径为0.05~0.3μm，所述石英粉粒径小于5μm。

4.根据权利要求1或2所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述步骤（2）中，短切纤维长度不超过损伤最大尺寸。

5.根据权利要求1所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述步骤（3）中，进行逐层填充并干燥，每次填充厚度为1~2mm，多次填充-干燥，直至填充厚度高于受损深度。

6.根据权利要求1所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，还包括复合材料贯穿损伤修复方法，其特征在于，所述复合材料贯穿损伤修复方法包括以下步骤：

S1. 清理复合材料受损部位无效的受损组织；

S2. 复合材料损伤区域背面采用表面涂抹脱模油的塑料板随形覆盖，塑料板四周采用胶带牢固粘接在复合材料背面；

S3. 将修补材料逐层填充到受损部位并压实，然后采用便携式加热设备进行干燥，通过多次填充-干燥，使最终填充厚度高于受损深度；去除塑料板，采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料击穿损伤区域的初步修复；

S4. 采用刷子在初步修复表面刷涂浆料Ⅱ，通过便携式加热设备进行干燥，重复刷涂-干燥3~5次，完成后致密化处理；然后采用便携式加热设备进行烧结，打磨修复表面，使修复表面与复合材料完好表面平齐，完成复合材料贯穿损伤修复。

7.根据权利要求6所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述步骤S3中，干燥温度为150~200℃、干燥时间为0.5~1h，每次填充厚度为1~2mm，烧结温度为900~1100℃、烧结时间为10~30min；所述步骤S4中，干燥温度为100~150℃、干燥时间为15~30min，烧结温度为900~1100℃、烧结时间为10~30min；在烧结过程中，待修复区域周边采用保温棉遮盖。

8.根据权利要求1或6所述的连续氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的修复方法，其特征在于，所述便携式加热设备为：干燥过程采用热风枪，烧结过程采用红外加热器或者石英灯加热器。