一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法技术

提供了一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，它使用复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具，能够实现陶瓷基复合材料波纹板点阵结构的简便制备、提高层间性能和外形尺寸控制精度高、可批量生产、能实现产品净成型等，制备的陶瓷基复合材料波纹板点阵结构具有耐高温、抗氧化、良好力学性能并可重复使用，特别适合于高温(1000～1650℃)氧化环境下的应用。

A holistic preparation method for lattice structure of ceramic matrix composites

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法
本专利技术总体地属于耐高温热防护
，具体地涉及一种陶瓷基复合材料波纹板点阵结构的整体式制备方法。
技术介绍
高超声速飞行器高速飞行或再入过程中要承受气动载荷和热载荷的共同作用，为了保证飞行器外形结构完整，同时飞行器内部的元器件能够正常工作，热防护系统需要满足热防护、隔热和结构承载的需求。高超声速飞行器的大面积热防护系统表面温度高达1200℃，因此传统的防热材料如高温隔热瓦、柔性隔热毡、金属TPS结构等不能满足使用要求。陶瓷盖板是一种新型的热防护系统，它是通过高温连接件将陶瓷盖板与机身主结构相连接，盖板与机身主结构之间填充柔性隔热毡达到隔热的效果。与隔热瓦或毡相比，这种结构将防隔热系统的承载和传热功能分开。承载和传递载荷的功能主要由飞行器表面的陶瓷盖板来承担，而隔热功能由内部的绝热毡来实现。欧洲和美国研究C/SiC复合材料TPS方面研究较多。近年来，相关超声速或高超声速研究计划的试飞器上均不同程度的采用C/SiC复合材料盖板式热防护系统。如欧洲超声速飞行计划(Pre-X)中飞行器大面积热防护系统采用C/SiC复合材料作为陶瓷盖板及结构(ActaAstronautica,2005,56(4):453-464)，如附图1为Pre-X迎风面采用C/SiC复合材料TPS的示意，图中深灰色部位为C/SiC复合材料盖板式热防护系统，结构面板采用C/SiC复合材料，高温连接件和紧固件采用Inconel系列高温合金，面板最大尺寸为0.8m×0.5m，主要进行的测试包括力学性能测试、噪声测试、模拟PRE-X再入热流环境的热、力耦合测试等等，试验共进行了13次，时间超过11000s，试验结果显示表面C/SiC复合材料面板具有优异的性能；图2为Pre-X上C/SiC复合材料TPS结构示意图和实物。另外，意大利的USV-X再入飞行器的迎风面大面积热防护系统也采用C/SiC复合材料盖板式结构。除飞行器迎风面外，USV-X再入飞行器的鼻锥以及背风面的前端防热均采用C/SiC复合材料，C/SiC复合材料面板厚3mm，TPS结构的总重量仅105.5kg。轻质的防/隔热/承载一体化结构是高超声速飞行器热防护系统的发展方向，能够承受1200℃以上的被动热防护系统大多采用C/SiC等陶瓷面板，但目前只是实现了防/隔热一体化，单纯的陶瓷面板加隔热材料的组合尚不能承受飞行器内集中载荷，因此需要进一步设计改进轻质防/隔热材料的结构来实现承载功能。比如，CN104175623设计制造的泡沫铝填充碳钢波纹板的夹芯结构就能够实现承载结构的轻量化。吴倩倩等设计制备了一种树脂基的整体加固单向纤维增强复合材料点阵夹芯板，芯子结构为金字塔形，可用于承载结构的轻量化，但无法应用于高温环境。CN205022842则设计了一种高超声速飞行器用钛合金筒形轻量化结构，也就是两面钛合金蒙皮加中间弧形板连接筋，起到了很好的减重效果，但耐温不超过800℃。CN104177110针对该需求设计制备了C/SiC复合材料的波纹板夹层一体化平板，有可能用于热防护结构。但该夹层一体化结构平板制备大面积支撑结构将使模具和工艺非常复杂，并不易实现；而且层间碳布并无增强，抗压能力有待提高。目前陶瓷基复合材料的制备均需要通过1200℃-1500℃高温裂解这一步骤，如此高的温度对于点阵结构的成型和裂解过程中的型面尺寸控制也提出了极大的挑战。金属波纹板采用机械设备冲压方式获得，而树脂基复合材料点阵结构成型过程中一般采用泡沫芯材或金属等作为模具，但这些成型方式和成型模具均不适合陶瓷基复合材料波纹板点阵结构的成型和制备。CN103831979设计了一种陶瓷基波纹板点阵结构复合材料的制备模具，并采用该模具制备了C/SiC陶瓷基复合材料的波纹板夹层一体化平板CN104177110。但该模具完全采用金属制成，仅用于其预浸料碳布成型预制体点阵结构的过程，成型完成后将撤出模具高温裂解，高温裂解过程中无定型模具，点阵结构容易变形，尺寸精度无法保证。更重要的是，该模具成型过程中对碳布预浸料铺层直接加压成型，面板和波纹板的碳布层间均无法实现层间缝合，导致最终点阵结构的抗压强度不足。如能够通过设计模具结构来设计铺层预制体的成型顺序，将面板与波纹板的成型碳布分步铺层、加压、缝合提高层间强度，最终实现波纹板点阵结构的整体成型，将大幅改善点阵结构的整体抗压能力；同时点阵结构内部的成型芯模改用能够耐高温的石墨材质，将能够改善高温(1200～1500℃)裂解过程中的变形，提高尺寸精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是，在于克服现有技术中制备陶瓷基复合材料点阵结构工艺复杂、尺寸精度控制难度大或所得复合材料点阵结构承压能力低、层间强度差等不足，提供一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，该方法步骤简便、设备要求简单、能实现产品净成型，所得产品外形尺寸可控、承压能力高。本专利技术的技术方案是，一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，采用复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具，所述模具用于实现对陶瓷基复合材料点阵结构中的上面板、下面板、位于上面板和下面板之间的波纹板进行纤维布多层铺设和层间缝合，以及将上面板和下面板与波纹板所有接触位置的纤维布缝合成整体，还有点阵结构化学处理前的整体成型，且采用石墨芯模作为波纹结构的定型部件；制备方法包括以下步骤：S1、纤维预制件的成型：将纤维布剪裁成所需尺寸，在复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中铺设下面板纤维布、波纹板纤维布和上面板纤维布，在铺设过程中适时对下面板纤维布、波纹板纤维布、上面板纤维布进行层间缝合，并在波纹板纤维布与下面板纤维布和上面板纤维布的所有结合处将纤维布缝合成整体，最后压紧模具，获得整体成型的点阵结构纤维预制体；S2、真空浸渍：将成型于模具上的点阵结构纤维预制体真空浸渍先驱体溶液或溶胶；S3、交联固化或烘干：将浸渍后的预制体在交联固化或烘干脱水；S4、脱模：脱除复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中除中空结构支撑块(即石墨芯模)的其他模具，石墨芯模仍保留在安装位置不脱模，获得预制体坯体；S5、高温裂解：脱模后的预制体坯体进行高温热处理，温度800℃-1400℃，时间1小时；S6、致密化：依次重复步骤S2、S3和S5的真空浸渍-交联固化或烘干-高温裂解工艺，制得陶瓷基复合材料轻质点阵结构。进一步的，上述复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具包括方向控制滑轨平板、外压板、内压板、固定块、梯形垫块；所述方向控制滑轨平板梯形块配合用于形成波纹结构，包括2块布局相同的平板，平板上沿长度方向同一水平线上设置N+1个倒立等腰梯形通孔和N个正立等腰梯形通孔，N为正整数，所述正立等腰梯形通孔和倒立等腰梯形通孔相对交错排列；两块平板的四角对应设置有滑轨平板连接孔，用于通过滑轨柱使两块平板相距预定尺寸连接并固定；所述梯形垫块为等腰梯形长条，用于填充并连接所述两块方向控制滑轨平板上的倒立等腰梯形通孔和正立等腰梯形通孔；所述固定块的外形尺寸与梯形垫块一致，用于置于方向控制滑轨平板上两端最外侧的倒立等腰梯形通孔中，固定块上设有固定块连接孔以与方向控制滑轨平板固定连接，固定块和梯形垫块用作石墨芯模，以支撑点阵结构的中空部分，其材质为石墨；所述外压板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，其特征在于，采用复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具，所述模具用于实现对陶瓷基复合材料点阵结构中的上面板、下面板、位于上面板和下面板之间的波纹板进行纤维布多层铺设和层间缝合，以及将上面板和下面板与波纹板所有接触位置的纤维布缝合成整体，还有点阵结构化学处理前的整体成型，且采用石墨芯模作为波纹结构的定型部件；制备方法包括以下步骤：S1、纤维预制件的成型：将纤维布剪裁成所需尺寸，在复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中铺设下面板纤维布、波纹板纤维布和上面板纤维布，在铺设过程中适时对下面板纤维布、波纹板纤维布、上面板纤维布进行层间缝合，并在波纹板纤维布与下面板纤维布和上面板纤维布的所有结合处将纤维布缝合成整体，最后压紧模具，获得整体成型的点阵结构纤维预制体；S2、真空浸渍：将成型于模具上的点阵结构纤维预制体真空浸渍先驱体溶液或溶胶；S3、交联固化或烘干：将浸渍后的预制体交联固化或烘干脱水；S4、脱模：脱除复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中除石墨芯模之外的其他模具，石墨芯模仍保留在安装位置不脱模，获得预制体坯体；S5、高温裂解：脱模后的预制体坯体进行高温热处理，温度800℃‑1400℃，时间1小时；S6、致密化：依次重复步骤S2、S3和S5中的真空浸渍‑交联固化/烘干脱水‑高温裂解工艺，制得陶瓷基复合材料轻质点阵结构。...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，其特征在于，采用复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具，所述模具用于实现对陶瓷基复合材料点阵结构中的上面板、下面板、位于上面板和下面板之间的波纹板进行纤维布多层铺设和层间缝合，以及将上面板和下面板与波纹板所有接触位置的纤维布缝合成整体，还有点阵结构化学处理前的整体成型，且采用石墨芯模作为波纹结构的定型部件；制备方法包括以下步骤：S1、纤维预制件的成型：将纤维布剪裁成所需尺寸，在复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中铺设下面板纤维布、波纹板纤维布和上面板纤维布，在铺设过程中适时对下面板纤维布、波纹板纤维布、上面板纤维布进行层间缝合，并在波纹板纤维布与下面板纤维布和上面板纤维布的所有结合处将纤维布缝合成整体，最后压紧模具，获得整体成型的点阵结构纤维预制体；S2、真空浸渍：将成型于模具上的点阵结构纤维预制体真空浸渍先驱体溶液或溶胶；S3、交联固化或烘干：将浸渍后的预制体交联固化或烘干脱水；S4、脱模：脱除复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具中除石墨芯模之外的其他模具，石墨芯模仍保留在安装位置不脱模，获得预制体坯体；S5、高温裂解：脱模后的预制体坯体进行高温热处理，温度800℃-1400℃，时间1小时；S6、致密化：依次重复步骤S2、S3和S5中的真空浸渍-交联固化/烘干脱水-高温裂解工艺，制得陶瓷基复合材料轻质点阵结构。2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，其特征在于，所述复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具包括方向控制滑轨平板(1)、外压板(3)、内压板(4)、固定块(5)、梯形垫块(6)；所述方向控制滑轨平板(1)与梯形垫块(6)配合以形成波纹结构，包括2块布局相同的平板，平板上沿长度方向同一水平线上设置N+1个倒立等腰梯形通孔(10)和N个正立等腰梯形通孔(11)，N为正整数，所述正立等腰梯形通孔(11)和倒立等腰梯形通孔(10)相对交错排列；两块平板的四角对应设置有滑轨平板连接孔(2)，用于通过滑轨柱使两块平板相距预定尺寸连接并固定；所述梯形垫块(6)为等腰梯形横截面的长条，用于填充并连接所述两块方向控制滑轨平板上的倒立等腰梯形通孔(10)和正立等腰梯形通孔(11)；所述固定块(5)的外形尺寸与梯形垫块(6)一致，用于置于方向控制滑轨平板上两端最外侧的倒立等腰梯形通孔(10)中，固定块(5)上设有固定块连接孔(7)以将固定块(5)与将方向控制滑轨平板固定连接；所述梯形垫块(6)和固定块(5)在复合材料点阵结构纤维预制体成型时作为点阵结构中的中空结构支撑块，即石墨芯模，其材质为石墨；所述外压板(3)包括两个边框对应位置设有边框连接孔(9)的中空框架，用于压紧连接所述两块方向控制滑轨平板(1)的固定块(5)和梯形垫块(6)，以形成复合材料的波纹结构；所述内压板(4)包括两块平板，分别置于外压板(3)两个框架的内侧并通过压板连接孔(8)与外压板(3)的框架固定连接，用于压紧设置在两块方向控制滑轨平板(1)之间的复合材料面板以形成复合材料面板结构，并用于铺设复合材料。3.如权利要求2所述的陶瓷基复合材料点阵结构的整体式制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11、剪裁纤维布至设计尺寸，包括面板纤维布和中梯形波纹板纤维布；S12、在其中一块内压板的表面上铺设面板纤维布至设计层数；S13、使经滑轨平板连接孔(2)通过滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾成兰，张玉娣，易雄辉，
申请(专利权)人：湖南远辉复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43