一种氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料，特别是涉及到一种适用于透波天线罩/窗材料用高强度、耐高温、耐热氧化、可重复使用陶瓷复合材料的制备工艺方法。

背景技术：

1、透波天线罩/窗材料主要包括纤维增强树脂基复合材料，石英陶瓷、氧化铝陶瓷、微晶玻璃、氮化物陶瓷等单相/复相陶瓷材料，纤维增强陶瓷基复合材料等。纤维增强树脂基复合材料已广泛应用于低马赫数(＜4ma)导弹天线罩中，但其耐热性能差，高温下易裂解形成自由碳(＞500℃)，已不能满足高马赫数导弹飞行过程中防热和透波要求。石英陶瓷具有优异的介电性能(室温下介电常数≈3.4，介电损耗≈4×10-4)，良好的高温介电稳定性(室温至1473k，介电常数变化率≤2％)，且抗热震性能优良(热膨胀系数≈5.4×10-7/k)，已广泛应用于马赫数(ma)≤5的飞行器。随着飞行器飞行速度以及飞行时间的进一步提升，单相或复相陶瓷材料由于本质上仍然是脆性材料，承载力不足，同时存在大尺寸构件难成型及可加工性较差等缺点，限制了其进一步应用。连续纤维增强陶瓷基复合材料，在保持单相/复相陶瓷耐高温、低介电、抗腐蚀等优点的同时，克服了陶瓷材料韧性不足的缺点，具有高的应用可靠性，已成为高热力状态下天线罩材料的主要选择。近年来，由于氧化铝纤维来源受限，国内对连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究工作主要集中在石英纤维增强石英陶瓷基复合材料体系。

2、石英纤维增强石英陶瓷基复合材料利用氧化硅溶胶浸渍纤维预制件，通过干燥、烧结等工艺制备得到基体，然后进行多次的浸渍-干燥-烧结，最终得到致密的复合材料。氧化硅溶胶来源十分广泛，成本相对较低；氧化硅溶胶干燥温度低、烧结温度低，对氧化物纤维的热损伤较小；同时，溶胶-凝胶工艺可用于制备复杂形状的构件，实现近尺寸成型。但石英纤维在1150℃以上热处理会发生明显的析晶现象，发生玻璃相向方石英相的转变，新相析出过程产生的体积效应导致纤维强度下降很快；此外，石英纤维活性较高且模量较低，高温条件下容易与陶瓷基体发生扩散反应形成强界面结合，导致基体裂纹贯穿纤维，纤维无法发挥增韧补强作用，复合材料的力学性能较差。因此，石英纤维增强石英陶瓷基复合材料难以在1000℃以上长时间使用或重复性使用，无法满足新一代高超声速飞行器对于耐1200℃高温、高强度、可重复使用、耐热氧化透波天线罩/窗材料使用要求。

技术实现思路

1、发明目的：针对目前石英陶瓷基复合材料耐温等级和力学性能不足，无法满足1200℃高温氧化环境下长时间、可重复使用的需求现状，(1)本发明通过氧化铝纤维表面改性，增强氧化铝纤维高温自愈合能力，改善增强体与基体之间的热应力匹配，提升复合材料的高温强度保留率，解决石英陶瓷基复合材料耐温性不足的现状；(2)通过增加衬经纱和衬纬纱调控编织体经向和纬向力学性能的一致性，有效提高复合材料的拉伸强度和压缩强度，解决石英基陶瓷复合材料力学性能不足的现状；(3)通过梯度浓度及加压浸渍固化，实现氧化硅基体的短周期快速致密化，解决石英基陶瓷复合材料溶胶-凝胶工艺周期长、成本高的现状。用以满足新一代飞行器对于耐1200℃高温、高强度、可重复使用、耐热氧化透波天线罩/窗材料使用的要求。

2、技术方案：为了克服现有技术和材料的不足，本发明提供了一种高强度氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料及其制备方法。

3、本发明通过以下技术方案来实现：

4、一种高强度氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料的制备方法，主要包括纤维过渡界面涂层浸渍、烘干、热处理、纤维编织、溶胶浸渍、加压固化、烧结等。

5、(1)制备纤维过渡界面涂层：将氧化铝纤维浸渍到铝-硅-氧溶胶中，60℃～120℃条件下烘干后缠绕成卷，经600℃～1000℃热处理得到铝-硅-氧涂层；

6、(2)制备氧化铝纤维编织体：氧化铝纤维经过上浆剂处理机织成2.5d衬经衬纬结构编织体，增强体纤维体积分数为35％～55％，编织体厚度为3mm～20mm；

7、(3)溶胶浸渍、加压固化：将氧化铝纤维编织体在500℃热处理30min～60min后，抽真空10min～30min，将硅溶胶注入容器内充分浸渍到带过渡界面层的2.5d衬经衬纬结构氧化铝编织体，对硅溶胶进行固化和干燥，硅溶胶粒子快速构建凝胶三维网络，待水分充分挥发后得到未烧结的2.5d衬经衬纬结构氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料坯体；

8、(4)烧结：氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料坯体放入烧结炉中，在800℃～1000℃真空下烧结，保温时间为30min～120min，得到2.5d衬经衬纬结构氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料半成品；

9、(5)浸渍固化、烧结工艺循环增重：重复步骤(3)和步骤(4)过程1次～3次，当复合材料增重≤4％时，得到2.5d衬经衬纬结构氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料成品。

10、进一步地，所述步骤(1)中铝-硅-氧溶胶浓度为10％～30％，纤维浸渍时间1min～5min，浸渍次数1遍～3遍，过渡界面涂层量太多不利于后续纤维编织体的制备。

11、进一步地，所属步骤(2)中2.5d衬经衬纬结构氧化铝纤维编织体经纱、纬纱、衬经纱和衬纬纱细度为200tex×1～200tex×3之间，经纱、纬纱、衬经纱和衬纬纱密度为2.5根/cm～6.5根/cm之间。

12、进一步地，所属步骤(3)中，硅溶胶采用梯度浓度真空浸渍加压固化的方式，浓度为20％～40％，凝胶-固化制度为90℃固化120min～600min，120℃固化60min～180min，200℃固化30min～120min。

13、进一步地，所属步骤(4)中，烧结炉选用马弗炉或真空钼丝烧结炉，烧结气氛为真空环境或空气气氛。

14、进一步地，氧化铝纤维编织体选用2.5d衬经衬纬结构，编织体经纱、纬纱、衬经纱和衬纬纱细度为200tex×1～200tex×3之间，经纱、纬纱、衬经纱和衬纬纱密度为2.5根/cm～6.5根/cm之间，增强体纤维体积分数为35％～55％。可以实现经纬向力学性能一致，强度显著高于普通2.5d结构。

15、进一步地，纤维-基体过渡界面涂层选用铝-硅-氧涂层，铝-硅-氧溶胶浓度为10％～30％，纤维浸渍时间1min～5min，浸渍次数1遍～3遍。可以显著提升高温力学性能。

16、进一步地，石英基体采用硅溶胶梯度浓度真空浸渍和加压固化的方式，硅溶胶浓度为20％～40％，凝胶-固化制度为90℃固化120min～600min，120℃固化60min～180min，200℃固化30min～120min。

17、有益技术效果：本发明选用新型高性能国产氧化铝纤维通过过渡界面涂层制备、新型2.5d衬经衬纬结构编织、梯度浓度真空浸渍、加压固化和烧结等几个关键技术，制备工艺循环周期仅为1次～3次，制备工艺简单，周期短，对设备要求低。制备得到的2.5d衬经衬纬结构氧化铝纤维增强石英陶瓷基复合材料密度为1.7g/cm3～2.5g/cm3，室温弯曲强度为170mpa～260mpa，室温拉伸强度为120mpa～170mpa，1200℃强度保留率≥90％，室温介电常数在3.0～3.8之间，介电损耗≤0.007。本发明用以满足新一代飞行器对于耐1200℃高温、高强度、可重复使用、耐热氧化透波天线罩/窗材料使用的要求，具有极高的应用价值。