一种三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法，包括制备高固相含量的莫来石溶胶、选取增强体三维碳纤维织物、一次致密化和12～14次反复致密化等工艺步骤。该三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法，采用液相法和较低温度无压烧结，大大降低能耗和对设备的要求，缩短制备周期，可使陶瓷高效致密化，并可获得力学性能优异的莫来石陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到莫来石陶瓷材料领域，具体涉及一种碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法。
技术介绍
莫来石陶瓷具有优异的高温抗氧化、耐腐蚀、低热膨胀系数、低热导率、抗高温蠕变等特性，并且其最显著的优势是力学性能随着温度的升高而增加，基于以上原因，莫来石陶瓷被认为是一种非常理想的高温工程陶瓷。但莫来石陶瓷较低的室温力学性能严重地限制了该材料的应用。为改善莫来石陶瓷的力学性能，各种强韧化机制被广泛应用。主要包括颗粒增强、晶须增强以及连续纤维增强等方式，其中颗粒和晶须的强韧化方式可以使莫来石陶瓷的韧性提高约1倍，但仍仅有3 MPa-m1/2 7MPa ^m1气总体而言，颗粒和晶须增强的莫来石陶瓷强度提高较为显著，但韧性较实际应用还有较大距离。相比颗粒和晶须增强两种强韧化方式，连续纤维的强韧化效率高，是近年来的研究热点。碳纤维具有高温强度高、化学稳定性好等特点，将连续碳纤维引入莫来石陶瓷中， 可以极大地改善莫来石陶瓷的力学性能，同时利用莫来石的低热膨胀系数和低氧扩散系数的特点，可以很好的弥补碳纤维高温下易氧化的不足，而且利用连续纤维预制件的骨架作用，可以通过液相法在相对较低的温度下无压烧结成型大型复杂构件，工程化前景非常广阔。目前连续碳纤维强韧化的莫来石陶瓷的制备方法主要包括热压和溶胶凝胶工艺， 其中热压工艺过程中的高温高压对纤维造成的损伤较大，并且难以成型大型复杂构件；溶胶凝胶工艺可以在较低温度以及常压下完成材料的致密化过程，并且可以通过编织技术制备大型复杂构件，是较为理想的工艺。在纤维的强韧化方式上，单向纤维的强韧化方向性较强，二维织物的层间强度较差，而三维织物的强韧化方式具有整体性好、可设计性强、并且可以成型大型复杂构件的优点，优势比较明显。马青松采用溶胶凝胶工艺制备了三维四向碳纤维织物增强的莫来石陶瓷，但由于采用的莫来石溶胶的固含量仅为10%左右，材料制备需要30个以上的致密化周期，并且材料的致密度较低，孔隙率为3(Γ35% (马青松，陈朝辉，郑文伟.三维编织碳纤维增强莫来石复合材料的制备与性能.国防科技大学学报， 2003，25(6) 26 29)。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种制备周期短、能提高材料致密度及韧性的三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案，包括以下工艺步骤 (1)制备高固相含量的莫来石溶胶将固相含量为35% 40%的硅溶胶和固相含量为 30% 35%的铝溶胶混合均勻，静置后(一般静置1 Mh)得到固相含量为31. 0% 36. 3%的莫来石溶胶(莫来石化学计量比Al2O3 71.8 wt% 77.2wt%);本步骤的硅溶胶与铝溶胶的质量配比优选为1 (2. 91 3. 95);(2)选取增强体选取体积百分数为45% 55%的三维碳纤维织物作为增强体；(3)—次致密化以步骤(1)得到的莫来石溶胶为先驱体，对三维碳纤维织物进行真空浸渍，然后进行凝胶化，再经高温陶瓷化后，完成一次致密化过程；(4)反复致密化重复上述步骤(3)，经12 14个致密化周期完成复合材料的致密化过程，制得三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷。上述技术方案中，步骤(3)中的真空浸渍的工艺过程优选为将所述三维碳纤维织物真空浸渍4h 他，然后取出在空气中晾置Ih 池。上述技术方案中，步骤(3)中的凝胶化优选采用真空干燥的方式完成，真空干燥的工艺过程优选为将经真空浸渍后的三维碳纤维织物放入真空烘箱中，以2V Mn 3°C / min的升温速率升温至150°C 200°C，真空干燥4h 6h，然后自然冷却到室温取出。上述技术方案中，步骤(3)中，所述高温陶瓷化优选采用高温裂解的方式完成，高温裂解的工艺过程优选为将经真空干燥后的三维碳纤维织物放入裂解炉中，在Ar气氛下以5°C /min 10°C /min的升温速率升至1100°C 1200°C，保温Ih 2h，自然冷却至100°C 以下取出。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术的莫来石陶瓷的制备方法，以三维碳纤维织物为增强体，采用液相法，可以显著提高单体莫来石的韧性，并可在较低温度下无压烧结实现莫来石的陶瓷化，大大降低能耗和对设备的要求，还可通过纤维编织方式制备结构复杂的构件；同时，选取的原料广泛易得，通过高固相含量的硅溶胶和高固相含量的铝溶胶共混即可得到高固相含量的莫来石溶胶，从而确保莫来石陶瓷的高效致密化。附图说明图1是本专利技术实施例1中制得的三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷照片。图2是本专利技术实施例1中制得的三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的XRD谱图。具体实施例方式下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步的说明。实施例1 一种本专利技术的制备三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的方法，包括以下具体步骤(1)制备高固相含量的莫来石溶胶将质量配比为1 3的固相含量为40%的硅溶胶和固相含量为35%的铝溶胶混合均勻，静置1 后，得到稳定的固相含量为36. 25%的莫来石溶胶；(2)选取增强体选取体积百分数为50.5%的三维四向的碳纤维织物作为增强体；(3)—次致密化以步骤(1)得到的莫来石溶胶为先驱体，将其引入三维碳纤维织物中，真空浸渍4h，取出在空气中晾置池；然后将经真空浸渍后的三维碳纤维织物放入真空烘箱中，以2V /min的升温速率升温至150°C，真空干燥6h，自然冷却到室温取出；再将经真空干燥后的三维碳纤维织物放入裂解炉中，在Ar气氛下以5°C /min的升温速率升至41200°C，保温lh，自然冷却至100°C以下取出；完成一次致密化过程；(4)反复致密化重复步骤(3)，经12个致密化周期完成复合材料的致密化过程，制得三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷。 经上述步骤制得的本实施例的三维碳纤维增强莫来石陶瓷样品照片如图1所示， XRD图谱如图2所示，主要性能参数如下表1所示，可见，本实施例制备的三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷材料的韧性较单体莫来石陶瓷的韧性有量级的提高，并且较现有的碳纤维织物增强莫来石陶瓷的密度以及致密化效率显著提高，在材料性能以及工艺性方面均具有明显优势。 表1 实施例1制得的三维碳纤维增强莫来石陶瓷的主要性能参数密度(g · Cnf3)孔隙率(％)三点弯曲强度(MPa)断裂韧性(MPa.m1/2)模量(GI^a)2. 1214. 3365. 222. 552. 4实施例2 一种本专利技术的制备三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的方法，包括以下具体步骤(1)制备高固相含量的莫来石溶胶将质量配比为1 3. 5的固相含量为35%的硅溶胶和固相含量为30%的铝溶胶混合均勻，静置24h后，得到稳定的固含量为31. 1 %的莫来石溶胶；(2)选取增强体选取体积百分数为55%的三维四向的碳纤维织物作为增强体；(3)—次致密化以步骤(1)得到的莫来石溶胶为先驱体，将其引入三维碳纤维织物中，真空浸渍8h，取出在空气中晾置Ih ；然后将经真空浸渍后的三维碳纤维织物放入真空烘箱中，以;TC/min的升温速率升温至200°C，真空干燥4h，自然冷却到室温取出；再将真空干燥后的三维碳纤维织物放入裂解炉中，在Ar气氛下以10°C /min的升温速率升至 1100°C，保温2h，自然冷却至100°C以下取出；完成一次致密化过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：（１）制备高固相含量的莫来石溶胶：将固相含量为３５％～４０％的硅溶胶和固相含量为３０％～３５％的铝溶胶混合均匀，静置后得到固相含量为３１．０％～３６．３％的莫来石溶胶；（２）选取增强体：选取体积百分数为４５％～５５％的三维碳纤维织物作为增强体；（３）一次致密化：以步骤（１）得到的莫来石溶胶为先驱体，对三维碳纤维织物进行真空浸渍，然后进行凝胶化，再经高温陶瓷化后，完成一次致密化过程；（４）反复致密化：重复上述步骤（３）１２～１４次，制得三维碳纤维织物增强莫来石陶瓷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海韬，马青松，陈树刚，徐天恒，陈朝辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43