CN116023161B - 一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，以解决现有陶瓷基复合材料点阵结构制备工艺复杂，脱模困难，难以规模化生产大尺寸、异形点阵结构，面芯界面连接点强度不足、应力集中、芯子杆强度不足的技术问题。本发明通过制备预制体、化学气相渗透工艺致密化处理得到初级面板，通过加工半通孔获得初级上面板和初级下面板、切削打磨获得初级芯子杆，设计面板开孔位置、芯子杆倾斜角度及摆放位置，利用增材制造技术打印树脂模具固定芯子杆，与上面板和下面板进行顺序装配，通过氢氧化钠溶液融化去除树脂模具，采用化学气相渗透工艺对点阵结构整体致密化成型，表面进行沉积处理最终得到大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构。

Description

一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，属于陶瓷基复合材料点阵结构制备技术领域。

背景技术

站在21世纪的风口浪尖，高超声速飞行器作为空间技术的重要载体，可以显著提高人类进入、控制和利用空间的能力，在临近空间资源开发和博弈中发挥着近乎决定性的作用。作为高超声速飞行器的关键部件，鼻锥、前缘/翼前缘、超燃冲压发动机燃烧室及火箭发动机喷管/喉衬等用热防护材料与结构扮演着举足轻重的角色，已成为发展高超声速飞行器的安全基石。

随着飞行速度与飞行高度的改变，高超声速飞行器所受到的气动力/热载荷条件在不断变化，对承力、防热结构设计与制造的要求也在逐渐提高，在大气层中飞行速度越大，时间越长，要求往往越严苛,“高温、长时、有氧、复杂热/力载荷”等典型工作环境特征使得高超声速飞行器对热防护材料与结构提出了迫切需求和严峻挑战。

陶瓷基复合材料由于具有极高的熔点(>3000℃)和优异的抗氧化、抗烧蚀性能，能够在2000℃以上的氧化环境中长时间使用，并维持非烧蚀和结构完整性，是一类极具应用前景的超高温非烧蚀型防热材料，是高超声速飞行器鼻锥、前缘等关键热结构的重要或首要候选材料。陶瓷基复合材料点阵结构因其轻质、高比强度和高刚度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗烧蚀且抗震优良的特点而被广泛应用于航空航天领域，因此，陶瓷基复合材料点阵结构的制备已成为高超声速飞行器热防护材料与结构领域的研究热点。

陶瓷基复合材料常用的制备工艺有RMI法、CVI法、PIP法等。采用RMI工艺易对纤维造成损伤，导致材料的性能受到影响；采用CVI工艺制造陶瓷基复合材料点阵结构主要通过铆接或连接件连接制备，其工艺非常复杂，很难满足轻质、高承载及防热一体化结构；采用PIP工艺存在材料孔隙率高，制备周期较长等缺点。

现有陶瓷基复合材料点阵结构的制备，存在着以下技术难点：(1)预制体成型困难、纤维丝不连续造成性能稳定性不足；(2)随着点阵结构长度方向的延伸，制备成本及累积误差都将持续增大，由于缺乏辅助装配模具，传统的大尺寸点阵结构各部件组装定位精度难以保证，装配效果不满足现有需求，同时大尺寸点阵结构脱模会导致芯子杆损伤/断裂，不利于规模化生产；(3)工艺复杂、制备周期长，材料性能存在损失。传统工艺制备的陶瓷基复合材料点阵结构，采用PIP工艺需要进行数轮浸渍-固化-裂解-高温热解，导致材料内部存在大量空洞，纤维受损，基体收缩等不良情况；(4)传统的陶瓷基复合材料点阵结构的芯子杆，采用穿插编织工艺制备，将纤维束捻合在一起，强度不足，受压时会产生蠕变和松动，同时芯子杆中的纤维因为相互之间摩擦会发生损伤。

综上所述，现有的各种制备工艺制成的陶瓷基复合材料点阵结构因面芯界面连接点强度不足、应力集中、芯子杆强度不足且易发生蠕变和松动而产生破坏，且制备工艺复杂，脱模困难，难以规模化生产大尺寸、异形点阵结构，材料性能存在损失，从而在一定程度上限制了陶瓷基复合材料点阵结构在高超声速飞行器热防护技术领域的广泛应用和发展，因此对陶瓷基复合材料点阵结构的制备工艺及面芯结点连接方式进行研究，提出一种简单快速的制备工艺和稳定、高强度的面芯结点连接方式对陶瓷基复合材料点阵结构的发展具有重要意义。

发明内容

为解决现有的陶瓷基复合材料点阵结构制备工艺复杂，脱模困难，难以规模化生产大尺寸、异形点阵结构，面芯界面连接点强度不足、应力集中、芯子杆强度不足且易发生蠕变和松动的技术问题，提升陶瓷基复合材料点阵结构的综合性能，本发明的目的是提供一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法。

本发明的一个目的在于提供一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构。

本发明的一个目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构，包括：上面板、下面板和芯子杆。其中，上面板和下面板为内表面相对的两面板，通过设计面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置，在上面板和下面板的内表面的相对应位置加工固定倾斜角度的半通孔，将芯子杆插入树脂模具中固定，然后将芯子杆的两端分别插入上面板和下面板的相对应的半通孔中，用来连接和支撑上面板和下面板，将装配完毕的初级陶瓷基复合材料异形点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中融化去除树脂模具，通过化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration，CVI)工艺对陶瓷基复合材料异形点阵结构整体致密化成型。

所述上面板和下面板是事先按照设计尺寸通过制备预制体和CVI工艺制得。作为优选，上面板包括平面上面板和异形曲面上面板，下面板为平面下面板；作为优选，在未与芯子杆装配前，其初始面板致密化程度为80％-90％。

所述芯子杆，首先通过制备预制体和CVI工艺制得致密化程度为80％-90％的平板，然后按照芯子杆设计尺寸对平板进行加工，沿纤维方向进行切割，可避免材料性能存在损失。作为优选，加工的平板可与上面板和下面板同时制备，既节约制备时间，简化制备流程，又保证芯子杆和上面板、下面板为同样材质。作为优选，沿纤维方向切割陶瓷基复合材料平板，使芯子杆与上面板、下面板的材质相同，可显著增强芯子杆强度。

所述面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置，是通过设计计算获得。陶瓷基复合材料点阵结构一般作为横向承弯结构使用，结构在受弯作用下，点阵结构类似于空间桁架结构，上、下面板分别承受压力和拉力作用，共同形成抵抗弯矩，以平衡外荷载形成的截面弯矩，点阵杆以拉压杆的形式承受外荷载引起的剪力，因此在芯子杆与面板连接点处，应保证受力平衡。基于受力平衡条件，以点阵单元为例，面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置的设计目标函数如下所示：

其中：F_上ix和F_上iy分别为上面板受到的x方向和y方向的力；F_下ix和F_下iy为下面板受到的x方向和y方向的力；d_iy和d_i′_y分别为F_上ix和F_下ix距离点阵结构中心点A处的垂直距离；d_ix和d_i′_x分别为F_上iy和F_下iy距离点阵结构中心点A处的水平距离；F_上杆ix和F_下杆ix分别为上面板和下面板在x方向作用于芯子杆的力；F_上杆iy和F_下杆iy分别为上面板和下面板在y方向作用于芯子杆的力；d_上杆ix为F_上杆iy距离上面板中心点B处的水平距离；d_下杆ix为F_下杆iy距离下面板中心点C处的水平距离；d′_上杆ix和d′_下杆ix分别为F_上杆iy和F_下杆iy距离点阵结构中心点A处的水平距离；d′_上杆iy和d′_下杆iy分别为F_上杆ix和F_下杆ix距离点阵结构中心点A处的垂直距离；x方向为坐标轴x轴正半轴水平向右，y方向为坐标轴y轴正半轴垂直向上。

所述在上面板和下面板的内表面的相对应位置设置固定倾斜角度的半通孔，是在芯子杆与上面板或下面板接触的端面按照倾斜角度通过钻头钻孔而成，通过尺寸设计和受力分析计算得到该倾斜角度，保证点阵结构受力平衡。钻孔深度为上面板或下面板厚度的一半，既防止芯子杆在受力情况下破坏上面板/压坏下面板，又使芯子杆与上面板、下面板良好贴合，避免应力集中。

所述模具是事先通过增材制造技术制备的树脂模具，作为辅助装配工具，主要起到固定芯子杆装配位置、提升点阵结构装配效率的作用。作为优选，采用塑型能力强、稳定性良好的树脂作为模具材料。

所述通过CVI工艺对点阵结构整体致密化成型，与传统点阵结构制备相比，避免使用粘接剂或拉丝等机械固定方法，在面芯界面连接点处不会形成附加弯矩，芯子杆与面板交界处不会形成附加剥离力，在结点处实现了受力平衡，面芯界面连接点稳定。同时，简化了制备工艺，节约时间和成本。

本发明的另一个目的在于提供一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的制备方法。

本发明的另一个目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的制备方法包括以下步骤：

S1、根据上面板和下面板的设计尺寸将碳纤维布裁剪成所需尺寸，制备上面板预制体和下面板预制体；根据芯子杆的设计尺寸，将碳纤维布裁剪成所需尺寸，制备平板预制体；

S2、将上面板预制体、下面板预制体和平板预制体置于真空干燥箱中烘干，再采用CVI工艺进行致密化处理，得到致密化程度为80％-90％的初级上面板、致密化程度为80％-90％的初级下面板和致密化程度为80％-90％的初级平板；

S3、根据设计尺寸和位置，在初级上面板和初级下面板的内表面的相对应位置加工出半通孔；根据芯子杆的设计尺寸，在初级平板上采用切削打磨工艺，得到初级芯子杆；

S4、根据设计尺寸，通过增材制造技术制备树脂模具，作为大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构辅助装配工具；

S5、将初级芯子杆插入树脂模具中固定放置，然后与初级下面板和初级上面板顺序装配，将初级芯子杆插入对应的半通孔中，压紧，然后将装配得到的初级陶瓷基复合材料异形点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中，加热融化树脂模具，待树脂模具完全被融化去除，得到初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构；

S6、采用CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构进行致密化处理，致密化程度达100％，对异形点阵结构表面进行沉积处理，得到最终的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构。

所述上面板包括平面上面板和异形曲面上面板，下面板为平面下面板。

所述初级上面板包括初级平面上面板和初级异形曲面上面板，下面板为初级平面下面板。

所述步骤S1中，碳纤维布为碳纤维平纹碳布，单层碳纤维平纹碳布厚度为0.12～0.15mm；上面板预制体、下面板预制体和平板预制体为二维叠层预制体或2.5D编织预制体或三维四向编织预制体或三维五向编织预制体或三维针刺预制体。作为优选，单层碳纤维平纹碳布厚度为0.12mm，上面板预制体、下面板预制体和平板预制体为2.5D编织预制体，此时复合材料的压缩强度、抗弯及抗拉强度较高。

所述步骤S2中，真空干燥箱中烘干温度为150℃～200℃。作为优选，烘干温度为180℃。

所述步骤S2和步骤S6中，采用CVI工艺对预制体进行致密化处理，是将预制体放入沉积炉中，在一定的温度下向预制体空隙中通入前驱气体，前驱气体从多孔预制体表面向内部扩散，并发生气相热解反应，在预制体空隙中气-固界面发生多相沉积反应，陶瓷基复合材料以涂层的方式沉积于纤维表面，同时生成气态副产物从预制体内部向外部扩散排除。随着沉积继续进行，涂层出现层叠，形成连续的陶瓷基复合材料基体。

所述步骤S3中，半通孔是在初级芯子杆与初级上面板或初级下面板接触的端面按照倾斜角度通过钻头钻孔而成，钻孔深度为初级上面板或初级下面板厚度的一半。

所述步骤S4中，采用塑型能力强、稳定性良好的树脂材料作为模具材料。

所述步骤S5中，采用浓度在50％以上的氢氧化钠溶液，融化树脂模具的加热范围在40℃-70℃。作为优选，氢氧化钠溶液的浓度为50％，加热温度为50℃。

所述步骤S6中，通过CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构进行致密化处理至100％后，初级芯子杆与初级上面板、初级下面板装配时的空余间隙被陶瓷基复合材料完全填充，半通孔与芯子杆接触紧实无间隙。

有益效果：

1、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，通过沿纤维方向切割陶瓷基复合材料平板预制体，使芯子杆与上面板、下面板的材质相同，可显著增强芯子杆强度。与本发明公开的芯子杆制备方法相比，传统点阵结构芯子杆制备方法采用纤维穿插编织工艺，将多股纤维捻合在一起，芯子杆强度不足，易发生蠕变和松动，易发生断裂，且制备工艺复杂，难以规模化生产。

2、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，通过对结点受力平衡分析可知，拉压杆根据芯子杆各杆件的受力大小和性质选取，这样发挥了各杆件的力学性能，并且芯子杆在结点处实现受力平衡，芯子在中心点处实现力和力矩平衡，点阵结构在中心点处实现力和力矩平衡，芯子杆和点阵结构受力更加合理，不会出现应力集中现象。

3、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，与将原材料通过切割、切削、钻孔等传统的模具制造技术相比，通过增材制造技术打印树脂模具，速度快，尺寸大、精度高，构造能力强，极大地节约了制造成本，提高了制造精度，解决了大型模具和异形模具制造困难的技术难题；同时树脂模具的表面效果非常好，减少了后处理时间；在装配完成后，通过氢氧化钠溶液融化去除树脂模具，提升了装配效果，解决了大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的装配技术难题和模具拆卸难题，同时由于陶瓷基复合材料耐酸碱腐蚀，可避免点阵结构基体与氢氧化钠溶液发生反应。

4、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，采用CVI工艺进行致密化处理，芯子杆与上面板、下面板接触紧实无间隙，提高了面芯界面连接点强度，较现有的陶瓷基复合材料点阵结构采用焊接、用胶粘结或机械固定等方法，避免了连接端面开裂的风险。

5、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，采用预制体成型和CVI工艺致密化，利用增材制造技术制备的树脂模具辅助装配工具，装配完成后高温处理，成功制备了一种大尺寸、高强、异形、耐温性能优异的陶瓷基复合材料异形点阵结构，简化了制备工艺流程，降低成本并提升了材料的工艺稳定性，可规模化生产大尺寸、异形点阵结构。

6、本发明公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法，通过CVI技术进行致密化处理和沉积，对陶瓷基复合材料影响较小，更好的保留了材料本身的高性能，进一步提高了陶瓷基复合材料异形点阵结构的高强度和耐高温性能。

附图说明

图1为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面上面板结构示意图；

图2为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面上面板内表面示意图；

图3为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级异形曲面上面板结构示意图；

图4为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级异形曲面上面板内表面示意图；

图5为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面下面板结构示意图；

图6为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面下面板内表面示意图；

图7为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构装配示意图；

图8为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构装配示意图；

图9为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构整体示意图；

图10为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构正视图；

图11为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构整体示意图；

图12为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构正视图；

图13为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构面芯结点处的局部放大示意图；

图14为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构面芯结点处的局部放大示意图；

图15为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构单元示意图；

图16为本发明一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构单元示意图。

其中：1—初级平面上面板；2—初级异形曲面上面板；3—初级平面下面板；4—初级芯子杆；5—半通孔；6—树脂模具；7—平面上面板；8—异形曲面上面板；9—平面下面板；10—芯子杆。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例提供一种大尺寸高强陶瓷基复合材料平面点阵结构及制备方法。

如图9和图10所示，本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构包括：平面上面板7、平面下面板9、芯子杆10；其中，平面上面板7和平面下面板9为内表面相对的两面板，通过设计面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置，在初级平面上面板1和初级平面下面板3的内表面的相对应位置加工固定倾斜角度的半通孔5，将初级芯子杆4插入树脂模具6中固定，然后将初级芯子杆4的两端分别插入初级上面板1和初级平面下面板3的相对应的半通孔5中，用来连接和支撑初级平面上面板1和初级平面下面板3，将装配完毕的初级平面点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中融化去除树脂模具6，通过CVI工艺对平面点阵结构整体致密化成型。

图1和图2为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面上面板1，图5和图6为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面下面板3，如图2和图6所示，通过钻头加工出半通孔5。

图7为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构装配示意图，图13为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构面芯结点处的局部放大示意图，图15为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的平面点阵结构单元示意图。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

S1：根据平面上面板7和平面下面板9的设计尺寸将单层厚度为0.12mm的碳纤维平纹碳布裁剪成所需尺寸，通过编织工艺将碳纤维平纹碳布制成2.5D编织预制体，获得2.5D编织结构平面上面板7预制体和2.5D编织结构平面下面板9预制体；根据芯子杆10的设计尺寸制备平板预制体，将碳纤维平纹碳布裁剪成所需尺寸，通过编织工艺将碳纤维平纹碳布制成2.5D编织预制体，获得2.5D编织结构平板预制体；

S2：将平面上面板7预制体、平面下面板9预制体和平板预制体置于真空干燥箱中烘干，在180℃下处理1h，再采用CVI工艺进行致密化处理，将预制体放入沉积炉中，在1200℃温度下向预制体空隙中通入前驱气体，前驱气体从多孔预制体表面向内部扩散，并发生气相热解反应，在预制体空隙中气-固界面发生多相沉积反应，陶瓷基复合材料以涂层的方式沉积于纤维表面，同时生成气态副产物从预制体内部向外部扩散排除。随着沉积继续进行，涂层出现层叠，形成连续的陶瓷基复合材料基体，最终得到致密化程度为80％的初级平面上面板1、致密化程度为80％的初级平面下面板3和致密化程度为80％的初级平板；

S3：根据设计尺寸和位置，在初级平面上面板1和初级平面下面板3的内表面的相对应位置加工出半通孔5，半通孔5是在初级芯子杆4与初级平面上面板1或初级平面下面板3接触的端面按照倾斜角度60°通过钻头钻孔而成，钻孔深度为初级平面上面板1或初级平面下面板3厚度的一半；在初级平板上采用切削打磨工艺，得到初级芯子杆4；

S4：根据设计尺寸，通过增材制造技术制备树脂模具6，作为大尺寸高强陶瓷基复合材料平面点阵结构辅助装配工具；

S5：将初级芯子杆4插入树脂模具6中固定放置，然后与初级平面下面板3和初级平面上面板1顺序装配，将初级芯子杆4插入对应的半通孔5中，压紧，然后将装配得到的初级平面点阵结构浸泡于浓度为50％的氢氧化钠溶液中，加热至50℃处理3h，待树脂模具6完全被融化去除，得到初级大尺寸高强陶瓷基复合材料平面点阵结构；

S6：采用CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料平面点阵结构进行致密化处理，致密程度达100％，初级芯子杆4与初级平面上面板1、初级平面下面板3装配时的空余间隙被陶瓷基复合材料完全填充，对平面点阵结构表面进行沉积处理，半通孔5与芯子杆10接触紧实无间隙，得到最终的大尺寸高强陶瓷基复合材料平面点阵结构。

实施例2：

本实施例提供一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形曲面点阵结构及制备方法。

如图11和图12所示，本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构包括：异形曲面上面板8、平面下面板9、芯子杆10；其中，异形曲面上面板8和平面下面板9为内表面相对的两面板，通过设计面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置，在初级异形曲面上面板2和初级平面下面板3的内表面的相对应位置加工固定倾斜角度的半通孔5，将初级芯子杆4插入树脂模具6中固定，然后将初级芯子杆4的两端分别插入初级异形曲面上面板2和初级平面下面板3的相对应的半通孔5中，用来连接和支撑初级异形曲面上面板2和初级平面下面板3，将装配完毕的初级点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中融化去除树脂模具6，通过CVI工艺对异形曲面点阵结构整体致密化成型。

图3和图4为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级异形曲面上面板2，图5和图6为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的初级平面下面板3，如图4和图6所示，通过钻头加工出半通孔5。

图8为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构装配示意图，图14为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构面芯结点处的局部放大示意图，图16为本实施例公开的一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构及制备方法的异形曲面点阵结构单元示意图。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

S1：根据异形曲面上面板8和平面下面板9的设计尺寸将单层厚度为0.12mm的碳纤维平纹碳布裁剪成所需尺寸，通过编织工艺将碳纤维平纹碳布制成2.5D编织预制体，获得2.5D编织结构异形曲面上面板8预制体和2.5D编织结构平面下面板9预制体；根据芯子杆10的设计尺寸制备平板预制体，将碳纤维平纹碳布裁剪成所需尺寸，通过编织工艺将碳纤维平纹碳布制成2.5D编织预制体，获得2.5D编织结构平板预制体；

S2：将异形曲面上面板8预制体、平面下面板9预制体和平板预制体置于真空干燥箱中烘干，在180℃下处理1h，再采用CVI工艺进行致密化处理，将预制体放入沉积炉中，在1200℃温度下向预制体空隙中通入前驱气体，前驱气体从多孔预制体表面向内部扩散，并发生气相热解反应，在预制体空隙中气-固界面发生多相沉积反应，陶瓷基复合材料以涂层的方式沉积于纤维表面，同时生成气态副产物从预制体内部向外部扩散排除。随着沉积继续进行，涂层出现层叠，形成连续的陶瓷基复合材料基体，最终得到致密化程度为80％的初级异形曲面上面板2、致密化程度为80％的初级平面下面板3和致密化程度为80％的初级平板；

S3：根据设计尺寸和位置，在初级异形曲面上面板2和初级平面下面板3的内表面的相对应位置加工出半通孔5，半通孔5是在初级芯子杆4与初级异形曲面上面板2或初级平面下面板3接触的端面按照倾斜角度60°通过钻头钻孔而成，钻孔深度为初级异形曲面上面板2或初级平面下面板3厚度的一半；在初级平板上采用切削打磨工艺，得到初级芯子杆4；

S4：根据设计尺寸，通过增材制造技术制备树脂模具6，作为大尺寸高强陶瓷基复合材料异形曲面点阵结构辅助装配工具；

S5：将初级芯子杆4插入树脂模具6中固定放置，然后与初级平面下面板3和初级异形曲面上面板2顺序装配，将初级芯子杆4插入对应的半通孔5中，压紧，然后将装配得到的初级异形曲面点阵结构浸泡于浓度为50％的氢氧化钠溶液中，加热至50℃处理3h，待树脂模具6完全被融化去除，得到初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形曲面点阵结构；

S6：采用CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形曲面点阵结构进行致密化处理，致密度程度达100％，初级芯子杆4与初级异形曲面上面板2、初级平面下面板3装配时的空余间隙被陶瓷基复合材料完全填充，对异形曲面点阵结构表面进行沉积处理，半通孔5与芯子杆10接触紧实无间隙，得到最终的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形曲面点阵结构。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明。但是需要说明的是，本发明并不限于上述两种实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化，如可以将芯子杆替换为格栅结构，或将平面下面板替换为异形曲面下面板，或将单层点阵结构替换为多层点阵结构。在不偏离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构，其特征在于：包括：上面板、下面板和芯子杆(10)；其中，上面板和下面板为内表面相对的两面板，通过设计面板开孔位置、芯子杆倾斜角度、芯子杆摆放位置，在上面板和下面板的内表面的相对应位置加工固定倾斜角度的半通孔(5)，将芯子杆(10)插入树脂模具(6)中固定，然后将芯子杆(10)的两端分别插入上面板和下面板的相对应的半通孔(5)中，用来连接和支撑上面板和下面板，将装配完毕的初级陶瓷基复合材料异形点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中融化去除树脂模具(6)，通过化学气相渗透(CVI)工艺对陶瓷基复合材料异形点阵结构整体致密化成型。

2.如权利要求1所述一种大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构，其特征在于，所述上面板包括：平面上面板(7)和异形曲面上面板(8)；所述下面板为平面下面板(9)。

3.如权利要求1所述的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构，其特征在于：所述上面板和下面板在未与芯子杆(10)装配前，初始面板致密化程度为80％-90％；所述芯子杆(10)是通过制备预制体和CVI工艺制得致密化程度为80％-90％的平板，再按照芯子杆(10)的尺寸将平板沿纤维方向进行切割加工获得；芯子杆(10)与上面板、下面板的材质相同。

4.如权利要求1所述的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构，其特征在于：所述树脂模具是预先通过增材制造技术制备的塑型能力强、稳定性良好的树脂模具(6)，作为辅助装配工具，主要起到固定芯子杆(10)装配位置、提升陶瓷基复合材料异形点阵结构装配效率的作用。

5.制备如权利要求1或2所述大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、根据上面板和下面板的设计尺寸将碳纤维布裁剪成所需尺寸，制备上面板预制体和下面板预制体；根据芯子杆(10)的设计尺寸，将碳纤维布裁剪成所需尺寸，制备平板预制体；

S2、将上面板预制体、下面板板预制体和平板预制体置于真空干燥箱中烘干，再采用CVI工艺进行致密化处理，得到致密化程度为80％-90％的初级上面板、致密化程度为80％-90％的下面板和致密化程度为80％-90％的初级平板；

S3、根据设计尺寸和位置，在初级上面板和初级下面板的内表面的相对应位置加工出半通孔(5)；根据芯子杆(10)的设计尺寸，在初级平板上采用切削打磨工艺，得到初级芯子杆(4)；

S4、根据设计尺寸，通过增材制造技术制备树脂模具(6)，作为大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构辅助装配工具；

S5、将初级芯子杆(4)插入树脂模具(6)中固定放置，然后与初级下面板和初级上面板顺序装配，将初级芯子杆(4)插入对应的半通孔(5)中，压紧，然后将装配得到的初级陶瓷基复合材料异形点阵结构浸泡于氢氧化钠溶液中，加热融化树脂模具(6)，待树脂模具(6)完全被融化去除，得到初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构；

S6、采用CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构进行致密化处理，致密度程度达100％，对异形点阵结构表面进行沉积处理，得到最终的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构。

6.如权利要求5所述的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的制备方法，其特征在于，所述初级上面板包括：初级平面上面板(1)和初级异形曲面上面板(2)；所述初级下面板为初级平面下面板(3)。

7.如权利要求5所述的大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，采用浓度在50％以上的氢氧化钠溶液，融化树脂模具(6)的温度范围在40℃-70℃；所述步骤S6中，通过CVI工艺对初级大尺寸高强陶瓷基复合材料异形点阵结构进行致密化处理至100％后，初级芯子杆(4)与初级上面板、初级下面板装配时的空余间隙被陶瓷基复合材料完全填充，半通孔(5)与芯子杆(10)接触紧实无间隙。

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