CN114921734B - 一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，1)将铝箔清洁；2)将连续陶瓷纤维束丝制成单向带、纤维织布或纤维毡，涂胶或浸胶；3)将带胶的纤维制品平铺在铝箔上，再在带胶的纤维制品上平铺一层铝箔，如此铝箔‑纤维‑铝箔交替排列，制成目标厚度的预制体；4)将预制体置于平板模具或热压罐中，在保温和加压条件下进行固化，得到粘合的多层预制体；5)将粘合的多层预制体置于模具，并在真空或惰性气氛中进行高温热压固结，通过限定热压条件，得到未产生界面反应或反应层小于200nm的连续陶瓷纤维增强铝基复合材料，残余孔隙率不高于3.2％，弯曲强度高于600MPa，适用于航空航天领域如飞机尾翼，风扇叶片等高性能结构材料。

Description

一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，尤其涉及一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

飞行器技术及航空航天发动机的发展对材料的高温力学性能，比强度，比刚度提出了更高的要求。目前铝合金是用于制造飞机的主要结构材料，铝合金密度小，塑性好，易加工、有较高的比强度、比刚度和优异的耐腐蚀性能。根据这些特点，当前在役民用飞机中，铝合金在总结构用量上占70％～80％，在军用飞机结构上用量约40％～60％。在现代飞机结构中，利用1500～2000种铝铸件，主要用于制造飞机的蒙皮，框架螺旋桨，油箱，壁板和起落架支柱，压气机叶片等飞机主体结构材料。

飞机的发展是向着高速、长寿、安全可靠、低的结构重量系数，低成本的趋势推进的。飞机速度的提高会引起飞机的气动加热问题和过载问题，这对材料耐热性和强度提出更高的要求。为克服传统铝合金存在的不足，研究人员倾向于开发铝基复合材料。铝基复合材料在制造铝基复合材料时通常以金属铝及其合金作为基体，而连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒作为增强体材料，具有比基体更加优异的比强度，比刚度。其中，以连续纤维作为增强体制备的铝基复合材料综合性能最为优异。目前已经成功应用于铝基复合材料的连续长纤维包括硼纤维，碳纤维，SiC纤维，Al₂O₃纤维等。

近几十年来，经过世界各国研究人员的不断地研究和开发，纤维增强铝基复合材料制备工艺和设备得到了飞速的发展。例如B/Al复合材料具有刚性高，重量轻的优点，美国的NASA将B/Al复合材料用于制造航天飞机的货舱桁架，并在不久之后又在轨道飞行器一号系统的飞船、发动机机舱以及支撑桁架也使用了B/Al复合材料。DWA公司用C/Al基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管，C/Al基复合材料制造的波导管不但轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好，而且比原用的石墨/环氧-铝复合材料制的波导管减重30％。美国的LTV公司用SiC/Al制造了战术导弹发动机壳体、制导舵板、战斗部支架等，其中发动机壳体的强度与钢相当，但重量比铝壳体轻11％，有利于增加导弹的射程。

目前纤维增强铝基复合材料的技术是针对CVD硼纤维、CVD SiC纤维等直径100μm以上的粗纤维开发的，主要是采用液相或半固态铸造技术，即使基体铝(合金)加热至融化或半融化状态，使其渗入排列规则的纤维预制体中，冷却固化获得复合材料。在此过程中，由于金属铝液的反应活性强，与纤维发生反应。但由于CVD纤维的直径粗，一定程度的表面反应对其机械性能影响较小。且由于CVD纤维的直径粗，高温蠕变性能差，无法进行编织，且纤维成本高，无法适应复杂形状构件高性能、低成本化的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，利用先驱体转化法制备的细直径陶瓷纤维作为增强体，以铝合金作为基体，采用片层叠层技术和热压固结技术，通过控制工艺条件，获得纤维增强铝基复合材料。该材料具有高强度，高刚度和良好的热稳定性能，适用于航空航天领域如飞机尾翼，风扇叶片等高性能结构材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将铝箔表面清洁，获得洁净的铝箔；

2)将连续陶瓷纤维束丝制成单向带；或对连续陶瓷纤维束丝进行编织，形成纤维织布；或将连续陶瓷纤维束丝切短后制成纤维毡；将上述纤维深加工产品剪裁成与铝箔长、宽相同尺寸，涂胶或浸胶后，获得带胶的纤维制品；

3)将带胶的纤维制品平铺在洁净的铝箔上，再在带胶的纤维制品上平铺一层洁净的铝箔，如此铝箔-纤维-铝箔交替排列，制成目标厚度的预制体；

4)将目标厚度的预制体置于平板模具或热压罐中，在保温和加压条件下进行固化，得到粘合的多层预制体；

5)将粘合的多层预制体置于模具，并在真空或惰性气氛中进行高温热压固结，通过限定热压条件，得到未产生界面反应或反应层小于200nm的连续陶瓷纤维增强铝基复合材料。

采用连续细直径陶瓷纤维作为增强体，结合叠层技术和真空热压技术制备陶瓷纤维增强铝基复合材料，在陶瓷纤维的强韧化作用下，铝合金的室温、高温强度和模量实现大幅提高。

所采用的先驱体转化法制备的细直径连续陶瓷纤维作为增强体，具有易编织、构件形状可设计的优势。

利用真空热压工艺在低于液态成型的温度下进行，通过严格控制反应条件，可避免界面反应过度，使产物层低于200nm，从而保证了细直径连续陶瓷纤维的强化作用，使复合材料的抗弯强度高于600MPa，并显著提高耐热性。

所述纤维织布、毡或单向带的厚度为0.15～0.45mm；单向带纤维束丝之间的距离为0.1～0.3mm；可通过浸胶或涂胶的方式对纤维布、毡或单向带上胶，以保证多层预制体的预定型。

通过片层叠层技术制备铝基复合材料，且在叠层时需根据材料不同方向性能的实际需求，选择单向带或纤维织布在每一叠层中的纤维排列方向。

通过调节铝箔厚度，便于调控纤维和基体的相对体积分数，进而调节复合材料的性能和成本。

在真空热压过程中使固结温度为640～690℃，保压时间为2～15h，通过限定热压条件，可以调控纤维与基体的反应程度与致密化程度，以调控纤维的强化效果。

所述铝箔的厚度为0.1～0.5mm；所述连续陶瓷纤维束丝的直径为10～15μm；步骤4)中，加压的压力为0.4～2MPa，温度为60～120℃；在步骤5)中，高温热压过程中使固结温度为640～690℃，升高到该目标温度后开始加压20～40MPa，保压时间为2～15h；步骤5)中，所述模具的材质为高碳钢或石墨，热压前需在模具内表面喷涂氮化硼涂层。

所制备的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的残余孔隙率不高于3.2％，弯曲强度高于600Mpa，适用于航空航天领域如飞机尾翼、风扇叶片的高性能结构材料。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

(1)采用细直径连续陶瓷纤维为增强体，结合真空热压烧结工艺，制备出纤维增强Al基复合材料；在陶瓷纤维的强韧化作用下，Al基体的室温、高温强度和模量实现大幅提高。

(2)采用的连续细直径陶瓷纤维作为增强体，具有成本低、易编织、构件形状可设计的优势。

(3)利用真空热压工艺可在低于液态成型的温度下进行，通过严格控制反应条件，可避免界面反应过度，使产物层低于200nm，从而保证细直径连续陶瓷纤维的强化作用，使复合材料的抗弯强度高于600MPa，并显著提高耐热性。

(4)通过片层叠层技术制备Al基复合材料，通过调控Al箔的厚度，可便于调控纤维和基体的相对体积分数，进而调节复合材料的性能和成本。

(5)本发明制备获得的陶瓷纤维增强铝基复合材料残余孔隙率不高于3.2％，弯曲强度高于600MPa，适用于航空航天领域如飞机尾翼，风扇叶片等高性能结构材料。

(6)真空热压过程中使固结温度为640～690℃，保压时间为2～15h。通过限定热压条件，可以调控纤维与基体的反应程度与致密化程度，以调控纤维的强化效果。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合实施例，对本发明做进一步详细说明。

本发明一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将厚度为0.1～0.5mm的铝箔裁剪成目标尺寸，并对其表面清洁，以去除氧化膜、油脂或者污垢，获得洁净的铝箔(A)。所用的清洁剂包括酒精、丙酮等可以溶解油脂污渍的溶剂，及四氯化碳、弱酸等可以与铝箔表面的氧化膜发生反应的溶剂。通过调节铝箔的厚度，可调节铝基体在复合材料中的体积分数。

(2)将连续陶瓷纤维束丝制成单向带；或对连续陶瓷纤维束丝进行编织，形成纤维织布；或将连续陶瓷纤维束丝切短后制成纤维毡；将上述纤维深加工产品剪裁成与铝箔长、宽相同尺寸，涂(浸)胶后，获得带胶的纤维制品(B)。纤维织布、纤维毡毡或单向带厚度一般为0.15～0.45mm；对于单向带来说，为保证纤维束在热压过程中不过度重叠，纤维束丝之间的距离应控制在0.1～0.3mm。可通过浸胶或涂胶的方式对纤维织布、纤维毡毡或单向带上胶；带胶溶液的溶剂可为水，可也为酒精、二甲苯等有机溶剂；当溶剂为水时，采用PVA等水溶性粘结剂；当采用有机溶剂时，可采用PVB、热固性树脂等高分子粘结剂。

本发明中细直径连续陶瓷纤维采用先驱体转化法制备，具有易编织、构件形状可设计的优势。先驱体转化法制备的连续SiC纤维、连续Al₂O₃纤维等纤维具有直径细(直径约为10～15μm)，可编织的优势，且保留了陶瓷材料低密度、高强度、耐高温蠕变的综合特性，具有作为更高性能铝基复合材料增强体的巨大潜力。

(3)将(B)平铺在(A)上，再在(B)上方再平铺一层(A)，如此铝箔-纤维-铝箔交替排列，制成目标厚度的预制体(C)。对于纤维毡来说，纤维在毡中具有随机取向特征，不考虑纤维方向性的问题；对于纤维织布和单向带来说，在叠层时需根据材料不同方向性能的实际需求，选择叠层中纤维的排列方向；一般来说，可使相邻单向带层中纤维方向互相垂直，以保证材料在不同方向的性能一致性；通过控制(A)和(B)的层数，从而控制最终得到的复合材料的厚度。

(4)将(C)置于平板模具中，利用(B)中粘结剂的作用，在保温和加压条件下进行固化，得到粘合的多层预制体(D)；其中，压力为0.4～2MPa，干燥温度为60～120℃，干燥时间为6～12h。保温加压可在硫化机等平板模具中进行，也可在热压罐中进行。

(5)将D置于模具，并在真空或惰性气氛中进行高温热压固结实验，通过限定热压条件，得到未产生界面反应或反应层小于200nm的高性能Al基复合材料(E)。其中，热压模具材质为高碳钢或石墨，热压前需在模具内表面喷涂氮化硼涂层，以防止复合材料与模具在高温下的反应。惰性气氛可以为高纯氩气、氮气等；若操作条件为真空，真空度应优于1Pa；固结温度为640～690℃，升温速率为5～10℃/min，升高到目标温度后开始加压20～40MPa，保温时间为2～15h。在该过程中，由于固结温度接近Al合金熔点温度，Al合金扩散能力强，加压后纤维与基体充分接触，并促进Al通过一定的塑性变形和固态扩散进入纤维束间，实现复合材料的致密化。又由于Al为非液态，在优化条件下，其与纤维不反应，或仅生成厚度为200nm以内的反应层，不显著影响纤维的增强效果。通过严格控制热压条件，可以调控纤维与基体的反应程度，以调控纤维的强化效果。如，当反应温度低于660℃，反应时间低于3h时，可在实现致密化的前提下抑制纤维与基体的界面反应；随着反应温度升高，基体致密化程度提高，复合材料中的空隙缺陷减少；当反应温度上升到690℃，时间延长15h时，反应层或扩散层厚度约为190nm；在继续提高温度和延长时间，会导致反应加剧，反应层变厚，使复合材料强度明显下降。

实施例1

(1)将厚度为0.1mm的铝箔裁剪成尺寸为40mm x40mm x0.1mm，放入四氯化碳溶液中进行清洁，以去除氧化膜、油脂或者污垢，获得洁净的铝箔(A)。

(2)将单丝直径为14μm，束丝强度为2.8GPa，模量为275GPa的连续SiC纤维束制成的厚度为0.15mm的纤维单向带，将其剪裁为40mm x40mm x0.1mm；利用浓度为5％的PVA水溶液作为粘结剂，在每片单向带的上下表层涂胶，获得上胶的单向带(B)。

(3)将(B)平铺在(A)上，再在(B)层上放置另一层(A)，然后在新的(A)层上继续铺(B)，如此箔-纤维-箔交替排列成5层(B)6层(A)，制得预制体(C)。

(4)将(C)在1MPa的压力下进行固定，而后放入烘箱中，在60℃下干燥6h，取出后，得到初步黏连在一起的预制体(D)

(5)将(D)置于涂有氮化硼涂层的石墨模具，并置于真空热压机中，进行高温固结实验，保护气氛为高纯氩气，固结温度为640℃，升温速率为10℃/min，升高到目标温度后开始加压30MPa，保温时间为2h。最终获得SiC纤维增强铝基复合材料(E)。

所得的SiC纤维增强铝基复合材料未见界面反应，复合材料的残余孔隙率为3.2％，纤维增强体的体积分数为31％，测得的弯曲强度为879MPa，弯曲模量为115GPa。

实施例2

(1)同实施例1的步骤(1)。

(2)同实施例1的步骤(2)。

(3)同实施例1的步骤(3)。

(4)同实施例1的步骤(4)。

(5)将(D)置于涂有氮化硼涂层的石墨模具，并置于真空热压机中，进行高温固结实验，保护气氛为高纯氩气，固结温度为670℃，升温速率为10℃/min，升高到目标温度后开始加压30MPa，保温时间为8h。最终获得SiC纤维增强铝基复合材料(E)。

所得的SiC纤维增强铝基复合材料中纤维与基体发生轻度界面反应，反应层平均厚度为130nm，复合材料的残余孔隙率为1.8％，纤维增强体的体积分数为31％，测得的弯曲强度为782MPa，弯曲模量为128GPa。

实施例3

(1)同实施例1的步骤(1)。

(2)同实施例1的步骤(2)。

(3)同实施例1的步骤(3)。

(4)同实施例1的步骤(4)。

(5)将(D)置于涂有氮化硼涂层的石墨模具，并置于真空热压机中，进行高温固结实验，保护气氛为高纯氩气，固结温度为690℃，升温速率为10℃/min，升高到目标温度后开始加压30MPa，保温时间为12h。最终获得SiC纤维增强铝基复合材料(E)。

所得的SiC纤维增强铝基复合材料中纤维与基体发生轻度界面反应，反应层平均厚度为190nm，复合材料的残余孔隙率为1.1％，纤维增强体的体积分数为31％，测得的弯曲强度为657MPa，弯曲模量为135GPa。

实施例4

(1)将厚度为0.15mm的铝箔裁剪成尺寸为40mm x40mm x0.1mm，放入四氯化碳溶液中进行清洁，以去除氧化膜、油脂或者污垢，获得洁净的铝箔(A)。

(2)同实施例1的步骤(2)。

(3)同实施例1的步骤(3)。

(4)同实施例1的步骤(4)。

(5)同实施例1的步骤(5)。

所得的SiC纤维增强铝基复合材料未见界面反应，复合材料的残余孔隙率为3.1％，纤维增强体的体积分数为19％，测得的弯曲强度为629MPa，弯曲模量为105GPa。

Claims (6)

1.一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将铝箔表面清洁，获得洁净的铝箔；所述铝箔的厚度为0.1~0.5mm；

2）将连续陶瓷纤维束丝制成单向带；或对连续陶瓷纤维束丝进行编织，形成纤维织布；或将连续陶瓷纤维束丝切短后制成纤维毡；将上述纤维深加工产品剪裁成与铝箔长、宽相同尺寸，涂胶或浸胶后，获得带胶的纤维制品；所述连续陶瓷纤维束丝的直径为10~15μm；

3）将带胶的纤维制品平铺在洁净的铝箔上，再在带胶的纤维制品上平铺一层洁净的铝箔，如此铝箔-纤维-铝箔交替排列，制成目标厚度的预制体；

4）将目标厚度的预制体置于平板模具或热压罐中，在保温和加压条件下进行固化，得到粘合的多层预制体；加压的压力为0.4~2MPa，温度为60~120℃；

5）将粘合的多层预制体置于模具，并在真空或惰性气氛中进行高温热压固结，通过限定热压条件，得到未产生界面反应或反应层小于200nm的连续陶瓷纤维增强铝基复合材料；其中，高温热压过程中使固结温度为640~690℃，升高到该目标温度后开始加压20~40MPa，保压时间为2~15h；所述模具的材质为高碳钢或石墨，热压前需在模具内表面喷涂氮化硼涂层；

采用连续细直径陶瓷纤维作为增强体，结合叠层技术和真空热压技术制备陶瓷纤维增强铝基复合材料，在陶瓷纤维的强韧化作用下，铝合金的室温、高温强度和模量实现大幅提高；

所采用的先驱体转化法制备的细直径连续陶瓷纤维作为增强体，具有易编织、构件形状可设计的优势；

利用真空热压工艺在低于液态成型的温度下进行，通过严格控制反应条件，可避免界面反应过度，使产物层低于200nm，从而保证了细直径连续陶瓷纤维的强化作用，使复合材料的抗弯强度高于600MPa，并显著提高耐热性。

2.如权利要求1所述的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述纤维织布、毡或单向带的厚度为0.15~0.45mm；单向带纤维束丝之间的距离为0.1~0.3mm；可通过浸胶或涂胶的方式对纤维布、毡或单向带上胶，以保证多层预制体的预定型。

3.如权利要求1所述的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：通过片层叠层技术制备铝基复合材料，且在叠层时需根据材料不同方向性能的实际需求，选择单向带或纤维织布在每一叠层中的纤维排列方向。

4.如权利要求1所述的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：通过调节铝箔厚度，便于调控纤维和基体的相对体积分数，进而调节复合材料的性能和成本。

5.如权利要求1所述的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在真空热压过程中使固结温度为640~690℃，保压时间为2~15h，通过限定热压条件，可以调控纤维与基体的反应程度与致密化程度，以调控纤维的强化效果。

6.如权利要求1所述的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所制备的一种连续陶瓷纤维增强铝基复合材料的残余孔隙率不高于3.2%，弯曲强度高于600Mpa，适用于航空航天领域如飞机尾翼、风扇叶片的高性能结构材料。