一种可调控热膨胀系数的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种可调控热膨胀系数的复合材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将石英纤维和氧化铝纤维编织为纤维预制体；(2)对所述纤维预制体进行预处理；(3)将预处理后的纤维预制体依次进行复合浸渍、干燥、烧结，得到复合材料坯体；(4)对所述复合材料坯体进行机械加工后，重复步骤(3)中的复合浸渍、干燥和烧结步骤，得到所述可调控热膨胀系数的复合材料。本发明专利技术提供的制备方法能够根据实际需求调节复合材料的热膨胀系数，使制备得到的复合材料与金属材料具有优异的匹配性。得到的复合材料与金属材料具有优异的匹配性。

【技术实现步骤摘要】
一种可调控热膨胀系数的复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纤维增强复合材料
，特别涉及一种可调控热膨胀系数的复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]石英纤维增强陶瓷基复合材料因其高强度、高韧性和耐高温等性质，在航天航空、国防军工等工程领域得到越来越广泛的应用，其中，该复合材料与金属材料的连接匹配成为众多应用中的重要环节；但在400℃以上的高温条件下，现有成熟的石英纤维增强陶瓷基复合材料的热膨胀系数(0.5
×
[0003]10
‑6/℃)与金属材料的热膨胀系数(＞8
×
10
‑6℃)差异较大，产生的热应力远大于二者复合得到的材料部件的强度，会使其时常发生变形甚至断裂，无法满足使用要求。因此，亟需开发具有与连接匹配的金属材料的热膨胀系数相近的复合材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种可调控热膨胀系数的复合材料及其制备方法，该方法能够根据实际需求调节复合材料的热膨胀系数，使制备得到的复合材料与金属材料具有优异的匹配性。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种可调控热膨胀系数的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0006](1)将石英纤维和氧化铝纤维编织为纤维预制体；
[0007](2)对所述纤维预制体进行预处理；
[0008](3)将预处理后的纤维预制体依次进行复合浸渍、干燥、烧结，得到复合材料坯体；
[0009](4)对所述复合材料坯体进行机械加工后，重复步骤(3)中的复合浸渍、干燥和烧结步骤，得到所述可调控热膨胀系数的复合材料。
[0010]优选地，在步骤(1)中，所述石英纤维和氧化铝纤维的体积比为(1～10)：(1～10)。
[0011]优选地，在步骤(1)中，所述石英纤维和氧化铝纤维的编织方式为针刺缝合；
[0012]所述石英纤维和氧化铝纤维的编织结构为编织布交替组合或经纬向交织组合。
[0013]优选地，在步骤(1)中，所述纤维预制体的体积分数为35％～45％。
[0014]优选地，在步骤(2)中，所述预处理的方式为采用丙酮对纤维预制体进行清洗；其中，清洗温度≤65℃，时间≥48h。
[0015]优选地，所述复合浸渍的方式为真空
‑
压力浸渍；其中，所述复合浸渍的真空度≤
‑
0.095MPa，压力为3.0MPa～4.0MPa。
[0016]优选地，在步骤(3)中，所述复合浸渍的次数为2～3次。
[0017]优选地，所述复合浸渍的溶液为硅溶胶溶液；其中，所述硅溶胶溶液的密度为1.0～1.3g/cm3，硅溶胶的光散射粒径≤90nm。
[0018]优选地，所述干燥的干燥温度为120～250℃，干燥时间为2～4h，升温速率不大于2
℃/min。
[0019]优选地，所述烧结的烧结温度为500℃～800℃，烧结时间为0.5～2h。
[0020]优选地，所述机械加工的次数优选为两次；其中，每次进行机械加工后，均重复步骤(3)中的复合浸渍、干燥和烧结步骤；
[0021]更为优选地，所述复合浸渍的次数为2～4次。
[0022]第二方面，本专利技术提供了一种可调控热膨胀系数的复合材料，采用上述第一方面任一所述的制备方法制备得到。
[0023]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0024](1)本专利技术可通过调节石英纤维和氧化铝纤维的比例和编织结构来控制复合材料的热膨胀系数，操作简单，可根据使用需求定制化设计；如此，通过缩小复合材料与金属材料的热膨胀系数，大幅减小二者之间因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，提高了二者复合得到的产品的使用可靠性。
[0025](2)本专利技术所用的原料简单且性能稳定，且工艺流程简单，污染性较小，更环保；
[0026](3)本专利技术所用的设备常见，适用的工艺窗口宽，生产的材料批次稳定，成本低廉。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]本专利技术提供了一种可调节热膨胀系数的复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
[0029](1)将石英纤维和氧化铝纤维编织为纤维预制体；
[0030](2)对所述纤维预制体进行预处理；
[0031](3)将预处理后的纤维预制体依次进行复合浸渍、干燥、烧结，得到复合材料坯体；
[0032](4)对所述复合材料坯体进行机械加工后，重复步骤(3)中的复合浸渍、干燥和烧结步骤，得到所述可调控热膨胀系数的复合材料。
[0033]在本专利技术中，通过石英纤维/氧化铝纤维编织物增强二氧化硅复合材料，氧化铝纤维的加入，不仅大幅提升了复合材料的机械强度和韧性，而且使复合材料的热膨胀系数提升至3
×
10
‑6/℃～6
×
10
‑6/℃，缩小了与金属材料的热膨胀系数的差异，减小了复合材料和金属材料因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，使二者复合后的材料部件性能更加优异，使用更加可靠。优选的，本专利技术中制备得到的复合材料与钛合金具有优异的连接匹配性。
[0034]根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述石英纤维和氧化铝纤维的体积比为(1～10)：(1～10)(例如，可以为1：1、1：2、1：3、1：5、1：8、1：10、3：1、3：5、3：7、3：10、5：1、5：9、8：3、8：5或10：1)。
[0035]需要说明的是，在本专利技术中，可以根据要连接匹配的金属材料的热膨胀系数来调节石英纤维与氧化铝纤维的体积比，若要连接匹配的金属材料的热膨胀系数较低，可以减少氧化铝纤维的体积；若要连接匹配的金属材料的热膨胀系数较高，可以增大氧化铝纤维的体积；经实验证实，当石英纤维与氧化铝纤维的体积比为1：10时，复合材料的热膨胀系数
即可满足与金属材料的匹配需求，而当氧化铝纤维继续增加，不仅会增加成本，而且复合材料的热膨胀系数也变化不大；当石英纤维与氧化铝纤维的体积比高于10：1时，则不能有效的调控复合材料的热膨胀系数，因此，石英纤维和氧化铝纤维在本申请范围内，不仅可以满足不同的调控需求，也可以节约成本。
[0036]根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述石英纤维和氧化铝纤维的编织方式为针刺缝合；
[0037]所述石英纤维和氧化铝纤维的编织结构为编织布交替组合或经纬向交织组合。
[0038]需要说明的是，在本专利技术中，石英纤维和氧化铝纤维可以分别单独编织成布层，具体可以为一层石英纤维布和一层氧化铝纤维布交替组合。氧化铝纤维和石英纤维也可以经纬向混编成布层，具体可以经向为石英纤维，纬向为氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可调控热膨胀系数的复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将石英纤维和氧化铝纤维编织为纤维预制体；(2)对所述纤维预制体进行预处理；(3)将预处理后的纤维预制体依次进行复合浸渍、干燥、烧结，得到复合材料坯体；(4)对所述复合材料坯体进行机械加工后，重复步骤(3)中的复合浸渍、干燥和烧结步骤，得到所述可调控热膨胀系数的复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：所述石英纤维和氧化铝纤维的体积比为(1～10)：(1～10)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：所述石英纤维和氧化铝纤维的编织方式为针刺缝合；所述石英纤维和氧化铝纤维的编织结构为编织布交替组合或经纬向交织组合。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：所述纤维预制体的体积分数为35％～45％。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中：所述预处理的方式为采用丙酮对纤维预制体进行清洗；其中，清洗温度≤65℃，时间≥48h。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晨，王华栋，董衡，代鹏飞，吕毅，孙同臣，赵英民，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：