混合夹层陶瓷基体复合材料制造技术

本发明专利技术涉及混合夹层陶瓷基体复合材料。混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)可包括第一面板、第二面板和在第一面板和第二面板之间并结合至两者的芯。第一面板和第二面板各自可包括陶瓷基体中的纤丝。混合夹层CMC可配置用于暴露至其中第一面板比第二面板暴露至更高温度环境的热梯度。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且第一面板比第二面板可具有更高的压缩强度。

【技术实现步骤摘要】
混合夹层陶瓷基体复合材料
本公开一般涉及陶瓷基体复合材料，并且更具体地，涉及暴露至热梯度的混合夹层陶瓷基体复合材料结构。
技术介绍
陶瓷基体复合材料(CMC)是由具有嵌入其中的增强材料(如，颗粒、晶须、非织造纤维、织造纤维)的陶瓷基体构成的复合材料。由于CMC相对轻重量以及能够承受高的工作温度，它们在航空与航天应用中是有吸引力的材料。例如，由于CMC比目前使用的一些金属基结构(如，钛和镍基合金)在重量上更轻并且能够承受在排放温度下更长的暴露，它们对排放系统组件的结构可以是有益的。已经探索了包括结合至两个一样的面板并处于其间的负荷转移芯层的CMC夹层结构作为飞行器应用的排放组件(参见美国专利申请公开号2009/0004425)。虽然有效果，但是当在夹层结构上存在高的热梯度时，特别是当面板受约束时，例如呈圆筒形夹层结构，CMC夹层组件可受到应力。具体而言，暴露至较高温度环境的面板(‘较热的面板’)膨胀或试图膨胀，但其受到相对的暴露至较冷环境的面板(‘较冷面板’)的抵抗。结果，由于较冷的面板的膨胀抵抗，较热的面板可受到压缩应力，同时较冷的面板可受到由较热的面板的收缩抵抗引起的拉伸应力。在一些极端条件下，这样的竞争性力可将CMC夹层组件推向其结构限度，并可出现结构损坏。因此，存在现有技术的挑战和限制，其待被克服。具体而言，存在对在热梯度条件下具有提高的弹性的更坚固的CMC夹层结构设计的需要。
技术实现思路
根据本公开的一个方面，公开了混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)。混合夹层基体CMC可包括第一面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，第二面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，和在第一面板和第二面板两者之间并结合至两者的芯。混合夹层CMC可配置用于暴露至其中第一面板比第二面板暴露至更高温度环境的热梯度。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且第一面板比第二面板可具有更高的压缩强度。根据本公开的另一方面，公开了混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)。混合夹层CMC可包括第一面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，第二面板，其包括陶瓷基体中的纤丝，和在第一面板和第二面板两者之间并结合至两者的芯。第一面板和第二面板可具有至少接近匹配的热膨胀系数，但是纤丝直径、纤丝化学组成、正交各向异性的程度和纤丝与陶瓷基体之间的界面强度的至少一个可不同。根据本公开的另一方面，公开了制作混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)的方法。方法可包括提供第一面板和第二面板，其中第一面板和第二面板各自包括在陶瓷基体的淤浆前体中的纤丝，并且其中第一面板和第二面板的纤丝直径、正交各向异性的程度和纤丝与陶瓷基体之间的界面强度的至少一个不同。方法可进一步包括在机床(tool)上铺叠第一面板，在第一面板上铺叠芯，和在芯上铺叠第二面板，由此在机床上提供叠层堆(layupstack)。另外，方法可进一步包括以第一温度固化叠层堆，和以第二温度烧结叠层堆，由此提供混合夹层CMC。已经讨论的特征、功能和优点可以在各实施方式中单独地实现或可在又其它实施方式中组合，其进一步细节可参见下面的描述和附图。附图说明图1是根据本公开构建的混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)的透视图。图2根据本公开构建的通过图1的截面2-2的横截面图。图3是图2的细节3的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的第一面板。图4是图2的细节4的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的第二面板。图5是根据本公开的方法，示意性地图解预浸纤丝层的正交各向异性的叠层以提供第一面板的透视图。图6是根据本公开的方法，示意性地图解预浸纤丝层的准各向同性的叠层以提供第二面板的透视图。图7是图2的细节7的展开图，图解根据本公开的一个方面构建的混合夹层CMC的蜂窝状芯结构。图8是类似于图7的展开图，但显示根据本公开的另一方面构建的泡沫芯结构。图9是类似于图7的展开图，但显示根据本公开的另一方面构建的构架芯结构。图10是具有排放系统的飞行器的透视图，该排放系统可具有由本公开的混合夹层CMC形成的组件。图11是通过图10的界面11-11的横截面图，描绘中心主体和由本公开的混合夹层CMC形成的排放喷嘴。图12是流程图，描绘根据本公开方法的可用于制作混合夹层CMC的一系列步骤。应当理解，附图非必须按比例绘制，并且所公开的实施方式有时是示意性图解的。进一步应当理解，下面的详细描述实质上仅仅是示例性的，非旨在限制专利技术或申请及其用途。因此，尽管为了便于解释，本公开以某些示意性实施方式描绘和描述，应当理解，它可以各种其它类型的实施方式和以各种其它系统和环境实施。具体实施方式现在参考附图，并具体参考图1-2，显示混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)10。如本文所使用，术语“CMC”指由嵌入陶瓷基体的一种或多种增强材料构成的材料。另外，术语“混合夹层CMC”指在两个CMC面板之间具有芯的CMC材料，其中两个面板的至少一个物理性质不同。作为非限制性实例，混合夹层CMC10可以是飞行器发动机的排放系统的组件，如在下面将进一步详细描述。混合夹层CMC10可包括结合至第一面板14和第二面板16并在其之间的芯12。第一面板14和第二面板16两者均可由CMC材料形成。在本公开的一个方面，第一面板14、第二面板16和芯12各自可形成圆筒形结构，以便混合夹层CMC10的整体形状是具有开放中心18的圆筒形，如所示。可选地，混合夹层CMC10可具有另一类型的闭合构造，或可以其它方式约束，以致面板14和16的弯曲不能完全减轻两个面板14和16上的应力。因此，混合夹层CMC10可具有其它三维形状，诸如，但不限于立方形、球形或锥形。在一些操作条件下，混合夹层CMC10可被暴露至高的热梯度，以便第一面板14(“较热的”面板)比第二面板16(“较冷的”面板)暴露至更高的温度环境(如，热的排气)。如本文所使用，“高的热梯度”指其中第一面板14和第二面板16之间的温度差至少是200°F或更高的条件。此外，取决于其应用，混合夹层CMC10可在声学上处理以减少或吸收声音。例如，配置用于暴露至较高温度环境的面板(如，第一面板14)可具有通过其形成的穿孔20，由此使声音进入芯12的内部并在芯12的内部减弱。尽管在图2中描述第一面板14为内部面板，应当注意，在一些应用中，暴露至较高温度环境的面板可以是外部面板。在高的热梯度条件下，较热的面板14可以试图在轴向、径向和圆周方向上比较冷的面板16膨胀更大。这些膨胀趋势可引起第一(较热)面板14中的压缩应力和第二(较冷的)面板16中拉伸应力的积聚。为了在这样的条件下承受混合夹层CMC10上的应力，可定制第一面板14的CMC材料，以致第一面板14表现比其拉伸强度更高的压缩强度。作为非限制性可能，第一(较热)面板14的压缩强度可超过其拉伸强度大约1.5倍或更多。这样的定制可使面板14能够实现比如果以实现几乎相等的拉伸和压缩强度的目标构建材料可能的更大压缩强度。同样，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)(10)，包括：第一面板(14)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；第二面板(16)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；和芯(12)，其位于所述第一面板和所述第二面板之间并结合至所述第一面板和所述第二面板两者，所述混合夹层CMC配置用于暴露至其中所述第一面板比所述第二面板暴露至更高的温度环境的热梯度，所述第一面板和所述第二面板具有至少接近匹配的热膨胀系数，并且所述第一面板比所述第二面板具有更高的压缩强度。

【技术特征摘要】
2015.01.09 US 14/593,6821.一种混合夹层陶瓷基体复合材料(CMC)(10)，包括：
第一面板(14)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；
第二面板(16)，其包括陶瓷基体(24)中的纤丝(22)；和
芯(12)，其位于所述第一面板和所述第二面板之间并结合至所述第一面板和所述第二面板两者，所述混合夹层CMC配置用于暴露至其中所述第一面板(14)与所述第二面板(16)之间的温度差是200°F或更多的热梯度，所述第一面板和所述第二面板具有在彼此的0.5×10-6微米/米/°F内的热膨胀系数，所述第一面板比所述第二面板具有更高的压缩强度，并且所述第一面板(14)中所述纤丝(22)的直径大于所述第二面板(16)中所述纤丝的直径。


2.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第二面板(16)比所述第一面板(14)具有更高的拉伸强度。


3.权利要求2所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)的压缩强度大于1.5倍所述第一面板的拉伸强度，并且其中所述第二面板(16)的拉伸强度大于1.5倍所述第二面板的压缩强度。


4.权利要求1所述的混合夹层CMC(10)，其中所述第一面板(14)的纤丝(22)和所述第二面板(16)的所述纤丝(22)具有相同的化学组成，其中所述第一面板的所述陶瓷基体(24)和所述第二面板的所述陶瓷基体具有相同的化学组成，并且其中所述第一面板中所述纤丝的体积分数等于所述第二面板中所述纤丝的体积分数。

【专利技术属性】
技术研发人员：W·P·基思，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US