纤维增强陶瓷基复合材料成形技术制作方法

施江澜

2003年1月1日

2002年6月25日

2002年6月25日

施江澜

B28B1/52GK1387984SQ0213785

复合材料 成形 陶瓷 纤维 增强 技术

1.一种纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，其特征在于该技术包括下列各步骤a、配料，在水中加入6～35wt％的凝胶单体与交联单体配制成预混液，凝胶单体与交联单体的比例为5∶1～250∶1之间，并在预混液中加入陶瓷粉体质量0.01～1wt％的有机分散剂，再在上述预混液中加入陶瓷粉体，加入量为预混液和陶瓷粉体总量的50～60vol％体积分数；b、搅拌，将上述配制的陶瓷浓悬浮体进行搅拌球磨1～48h，制备动力粘度＜0.25Pa·s的坯料，将坯料温度保持在0～25℃之间，按每1000g水中加入0.1～30ml引发剂，边均匀搅拌边进行真空除泡；c、压注、浸渗、固化，将纤维预制体置于压注机模具内，再将上述搅拌好的高固相含量、低粘度陶瓷浆料加入到压注机加料室内，闭模后在压力及超声波振动条件下注入、充填、浸渗纤维预制体，待这一过程充分进行后，实施加热保压，模具温度在25～95℃之间，所加压力在0.1～200Mpa之间，保压时间为1min～30min之间，坯料在温度和压力的作用下固化，并与纤维预制体牢固粘结复合成形；d、脱模，脱模获得纤维增强陶瓷基复合材料坯件，然后进行烧结获得成品2.根据权利要求1所述的纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，其特征在于所述的纤维预制体为短纤维晶须形成的多孔网格状预制体3.根据权利要求1所述的纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，其特征在于所述的纤维预制体为长纤维形成的三维编织预制体4.根据权利要求1或2或3所述的纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，其特征在于所述的有机单体为丙烯酰胺，所述的交联单体为亚甲基双丙烯酰胺5.根据权利要求1或2或3所述的纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，其特征在于所述的引发剂为过硫酸铵

本发明涉及一种纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，属陶瓷材料及部件的制备领域在陶瓷基复合材料中，纤维增强陶瓷基复合材料的增韧作用尤为显著，因而倍受陶瓷界关注，但因成形过程的复杂性，以及在可靠性、成本等方面存在的问题，而限制了其实际应用当前主要采用的纤维增强陶瓷基复合材料成形制备技术是(1)缠绕成形热压烧结法，将纤维通过陶瓷泥浆，缠绕在一个旋转的鼓上，干燥后得到纤维-陶瓷料带，将料带切成所需的形状和尺寸，再把它们一层一层叠加起来热压烧结，制作一维或二维长纤维增强陶瓷基复合材料(2)浆料浸渗热压烧结法，将纤维通过缠绕或编织成预制体，然后用陶瓷浆料渗透，获得三维长纤维增强陶瓷基复合材料上述方法由于是在干燥后进行热压烧结，因此存在一个制品尺寸，形状受到极大限制，或设备昂贵、成本高的问题，特别是浸渗、浸渍难以充分、均匀，其后的干燥过程中也易出现裂纹等缺陷，导致复合质量较低(3)化学气相浸渗，由化学气相沉积推广而来，其缺点是沉积速度慢，生产效率较低(4)前躯体法，是在纤维预制坯中浸渗溶胶、凝胶或液态多聚物，然后加热分解形成陶瓷沉积到预制坯上其主要缺点是干燥过程中收缩较大，具有高的缩孔和低的转化率，难以得到致密烧结体，而且仅限于氧化物类陶瓷实现上述目的的技术方案是一种纤维增强陶瓷基复合材料成形技术，包括下列各步骤a、配料，在水中加入6～35wt％的凝胶单体与交联单体配制成预混液，凝胶单体与交联单体的比例为5∶1～250∶1之间，并在预混液中加入陶瓷粉体质量0.01～1wt％的有机分散剂，再在上述预混液中加入陶瓷粉体，加入量为预混液和陶瓷粉体总量的50～60vol％体积分数；b、搅拌，将上述配制的陶瓷浓悬浮体进行搅拌球磨1～48h，制备动力粘度＜0.25Pa·s的坯料，将坯料温度保持在0～25℃之间，按每1000g水中加入0.1～30ml引发剂.边均匀搅拌边进行真空除泡；c、压注、浸渗、固化，将纤维预制体置于压注机模具内，再将上述搅拌好的高固相含量、低粘度陶瓷浆料加入到压注机加料室内，闭模后在压力及超声波振动条件下注入、充填、浸渗纤维预制体，待这一过程充分进行后，实施加热保压，模具温度在25～95℃之间，所加压力在0.1～200Mpa之间，保压时间为1min～30min之间，坯料在温度和压力的作用下固化，并与纤维预制体牢固粘结复合成形；d、脱模，脱模获得纤维增强陶瓷基复合材料坯件，然后进行烧结获得成品本发明提出的技术是一种创新的制备高性能复杂形状纤维增强陶瓷基复合材料的低成本、近净尺寸成形技术，陶瓷基坯料在纤维预制体中的浸渗复合通过下述方法实现先将陶瓷粉体分散于含有有机单体的水溶液中形成稳定均匀、高固相含量、低粘度浆料，再将浆料在压力下注入、浸渗到预置于模具中的纤维预制体内，然后在一定的催化、温度、压力条件下，有机单体聚合交联成三维网状结构，浸渗到纤维预制体内的浆料原位固化，与纤维预制体复合成形，得到纤维增强陶瓷基复合材料坯体本发明提出的成形技术与现有纤维增强陶瓷基复合材料成形制备技术相比，均具有明显的优越性，成形时间短，生产效率高，成形温度低，对陶瓷种类适应性广，可成形形状复杂的纤维增强陶瓷基复合材料制品，坯料中有机物含量极小，使脱脂工艺显著简化，脱脂时间大大缩短本发明综合了压注、注凝、浸渗的原理，用以制备复杂形状、结构组分密度均匀、高强度的陶瓷基复合材料坯体，再进行烧结获得高韧性陶瓷基复合材料制品实施例1 纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料成形技术市售α-Al2O3粉体原料，颗粒平均粒径1μm左右，混入5wt％ZrO2纳米粉体，在去离子水中溶入18wt％的丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺形成预混液，丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺比例为62∶1，预混液中加入0.3wt％Al2O3粉体质量的有机分散剂——改性聚丙烯酸铵，然后加入54vol％体积分数的复合陶瓷粉体，经搅拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷浆料，按1000g水加3ml过硫酸铵的比例在坯料中加入引发剂，混合均匀后真空除泡，将SiC短纤维晶须制成纤维含量25％的多孔网格状预制体置于模内，再将上述搅拌好的高固相含量、低粘度陶瓷浆料加入到压注机加料室内，闭模后在压力下及超声波振动条件下注入、充填、浸渗纤维预制体，待这一过程充分进行后，实施加热保压，模具温度为60℃，所加压力为50MPa，5min后固化成形，脱模获得纤维增强陶瓷基复合材料坯件，然后烧结获得成品实施例2 纤维增强SiC陶瓷基复合材料成形技术市售SiC粉料，颗粒直径为0.6μm，与3wt％(B4C+C)粉体混合，在去离子水中溶入14wt％的环氧乙烷单体和乙二醇形成预混液，环氧乙烷和乙二醇比例为10∶1在预混液中加入0.3wt％混合陶瓷粉体质量的分散剂——氢氧化四甲基铵，然后加入57vol％体积分数的复合陶瓷粉体，经搅拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷浆料，按1000g水加2ml四甲基乙二胺的比例在坯料中加入引发剂，混合均匀后真空除泡，将长碳纤维形成的三维编织预制体置于模内，纤维体积分数40％，将上述搅拌好的高固相含量，低粘度陶瓷浆料加入到压注机加料室内，闭模后在压力及超声波振动条件下注入、充填、浸渗纤维预制体，待这一过程充分进行后，实施加热保压，模具温度为60℃，所加压力为50MPa，10min后固化成形，脱模获得纤维增强陶瓷基复合材料坯件，然后烧结获得成品实施例3 纤维增强Si3N4陶瓷基复合材料成形技术市售Si3N4粉料，颗粒直径0.6μm，混入10wt％(Y2O5+Al2O3)粉体，在去离子水中溶入16wt％的丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺形成预混液，丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺比例为50∶1，预混液中加入0.01wt％复合陶瓷粉体质量的有机分散剂聚羧酸铵，然后加入53wt％的复合陶瓷粉体，经搅拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷浆料，按1000g水加2ml过硫酸铵的比例在坯料中加入引发剂，混合均匀后真空除泡，将长碳纤维三维编织预制体置于模内，纤维体积分数36％，将上述搅拌好的高固相含量，低粘度陶瓷浆料加入到压注机加料室内，闭模后在压力及超声波振动条件下注入、充填、浸渗纤维预制体，待这一过程充分进行后，实施加热保压，模具温度为60℃，所加压力为50MPa，10min后固化成形，脱模获得纤维增强陶瓷基复合材料坯件，然后烧结获得成品本技术的关键，一是要保证配置后的陶瓷坯料压注流动充填、浸渗过程可靠二是要实现快速原位固化，固化时间应控制在1min～30min固化速度快，工艺的可控性能、可操作性变差，反之，固化速度慢，生产效率低解决的办法是通过调节单体、引发剂种类和用量，降低坯料温度来延迟固化时间，坯料固化前的停放、操作过程中，温度应控制在0～25℃之间，故盛装坯料的容器与压机加料室应采用水冷坯料快速固化成形的实现是通过加热模具和加压保压实现的也就是说，坯料在充型流动充填浸渗前不允许出现任何固化现象，而在之后应尽快固化成形