專利名稱：纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，屬陶瓷材料及部件的制備領(lǐng)域。
在陶瓷基復(fù)合材料中，纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增韌作用尤為顯著，因而倍受陶瓷界關(guān)注，但因成形過程的復(fù)雜性，以及在可靠性、成本等方面存在的問題，而限制了其實際應(yīng)用。
當(dāng)前主要采用的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形制備技術(shù)是(1)纏繞成形熱壓燒結(jié)法，將纖維通過陶瓷泥漿，纏繞在一個旋轉(zhuǎn)的鼓上，干燥后得到纖維-陶瓷料帶，將料帶切成所需的形狀和尺寸，再把它們一層一層疊加起來熱壓燒結(jié)，制作一維或二維長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。
(2)漿料浸滲熱壓燒結(jié)法，將纖維通過纏繞或編織成預(yù)制體，然后用陶瓷漿料滲透，獲得三維長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。
上述方法由于是在干燥后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，因此存在一個制品尺寸，形狀受到極大限制，或設(shè)備昂貴、成本高的問題，特別是浸滲、浸漬難以充分、均勻，其后的干燥過程中也易出現(xiàn)裂紋等缺陷，導(dǎo)致復(fù)合質(zhì)量較低。
(3)化學(xué)氣相浸滲，由化學(xué)氣相沉積推廣而來，其缺點是沉積速度慢，生產(chǎn)效率較低。
(4)前軀體法，是在纖維預(yù)制坯中浸滲溶膠、凝膠或液態(tài)多聚物，然后加熱分解形成陶瓷沉積到預(yù)制坯上。其主要缺點是干燥過程中收縮較大，具有高的縮孔和低的轉(zhuǎn)化率，難以得到致密燒結(jié)體，而且僅限于氧化物類陶瓷。
實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，包括下列各步驟a、配料，在水中加入6～35wt％的凝膠單體與交聯(lián)單體配制成預(yù)混液，凝膠單體與交聯(lián)單體的比例為5∶1～250∶1之間，并在預(yù)混液中加入陶瓷粉體質(zhì)量0.01～1wt％的有機分散劑，再在上述預(yù)混液中加入陶瓷粉體，加入量為預(yù)混液和陶瓷粉體總量的50～60vol％體積分?jǐn)?shù)；b、攪拌，將上述配制的陶瓷濃懸浮體進(jìn)行攪拌球磨1～48h，制備動力粘度＜0.25Pa·s的坯料，將坯料溫度保持在0～25℃之間，按每1000g水中加入0.1～30ml引發(fā)劑.邊均勻攪拌邊進(jìn)行真空除泡；c、壓注、浸滲、固化，將纖維預(yù)制體置于壓注機模具內(nèi)，再將上述攪拌好的高固相含量、低粘度陶瓷漿料加入到壓注機加料室內(nèi)，閉模后在壓力及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體，待這一過程充分進(jìn)行后，實施加熱保壓，模具溫度在25～95℃之間，所加壓力在0.1～200Mpa之間，保壓時間為1min～30min之間，坯料在溫度和壓力的作用下固化，并與纖維預(yù)制體牢固粘結(jié)復(fù)合成形；d、脫模，脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件，然后進(jìn)行燒結(jié)獲得成品。
本發(fā)明提出的技術(shù)是一種創(chuàng)新的制備高性能復(fù)雜形狀纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的低成本、近凈尺寸成形技術(shù)，陶瓷基坯料在纖維預(yù)制體中的浸滲復(fù)合通過下述方法實現(xiàn)先將陶瓷粉體分散于含有有機單體的水溶液中形成穩(wěn)定均勻、高固相含量、低粘度漿料，再將漿料在壓力下注入、浸滲到預(yù)置于模具中的纖維預(yù)制體內(nèi)，然后在一定的催化、溫度、壓力條件下，有機單體聚合交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，浸滲到纖維預(yù)制體內(nèi)的漿料原位固化，與纖維預(yù)制體復(fù)合成形，得到纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯體。本發(fā)明提出的成形技術(shù)與現(xiàn)有纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形制備技術(shù)相比，均具有明顯的優(yōu)越性，成形時間短，生產(chǎn)效率高，成形溫度低，對陶瓷種類適應(yīng)性廣，可成形形狀復(fù)雜的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料制品，坯料中有機物含量極小，使脫脂工藝顯著簡化，脫脂時間大大縮短。本發(fā)明綜合了壓注、注凝、浸滲的原理，用以制備復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)組分密度均勻、高強度的陶瓷基復(fù)合材料坯體，再進(jìn)行燒結(jié)獲得高韌性陶瓷基復(fù)合材料制品。
實施例1 纖維增強氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)市售α-Al2O3粉體原料，顆粒平均粒徑1μm左右，混入5wt％ZrO2納米粉體，在去離子水中溶入18wt％的丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺形成預(yù)混液，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺比例為62∶1，預(yù)混液中加入0.3wt％Al2O3粉體質(zhì)量的有機分散劑——改性聚丙烯酸銨，然后加入54vol％體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合陶瓷粉體，經(jīng)攪拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷漿料，按1000g水加3ml過硫酸銨的比例在坯料中加入引發(fā)劑，混合均勻后真空除泡，將SiC短纖維晶須制成纖維含量25％的多孔網(wǎng)格狀預(yù)制體置于模內(nèi)，再將上述攪拌好的高固相含量、低粘度陶瓷漿料加入到壓注機加料室內(nèi)，閉模后在壓力下及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體，待這一過程充分進(jìn)行后，實施加熱保壓，模具溫度為60℃，所加壓力為50MPa，5min后固化成形，脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件，然后燒結(jié)獲得成品。
實施例2 纖維增強SiC陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)市售SiC粉料，顆粒直徑為0.6μm，與3wt％(B4C+C)粉體混合，在去離子水中溶入14wt％的環(huán)氧乙烷單體和乙二醇形成預(yù)混液，環(huán)氧乙烷和乙二醇比例為10∶1。在預(yù)混液中加入0.3wt％混合陶瓷粉體質(zhì)量的分散劑——氫氧化四甲基銨，然后加入57vol％體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合陶瓷粉體，經(jīng)攪拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷漿料，按1000g水加2ml四甲基乙二胺的比例在坯料中加入引發(fā)劑，混合均勻后真空除泡，將長碳纖維形成的三維編織預(yù)制體置于模內(nèi)，纖維體積分?jǐn)?shù)40％，將上述攪拌好的高固相含量，低粘度陶瓷漿料加入到壓注機加料室內(nèi)，閉模后在壓力及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體，待這一過程充分進(jìn)行后，實施加熱保壓，模具溫度為60℃，所加壓力為50MPa，10min后固化成形，脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件，然后燒結(jié)獲得成品。
實施例3 纖維增強Si3N4陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)市售Si3N4粉料，顆粒直徑0.6μm，混入10wt％(Y2O5+Al2O3)粉體，在去離子水中溶入16wt％的丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺形成預(yù)混液，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺比例為50∶1，預(yù)混液中加入0.01wt％復(fù)合陶瓷粉體質(zhì)量的有機分散劑聚羧酸銨，然后加入53wt％的復(fù)合陶瓷粉體，經(jīng)攪拌球磨制得粘度＜0.25Pa·s的陶瓷漿料，按1000g水加2ml過硫酸銨的比例在坯料中加入引發(fā)劑，混合均勻后真空除泡，將長碳纖維三維編織預(yù)制體置于模內(nèi)，纖維體積分?jǐn)?shù)36％，將上述攪拌好的高固相含量，低粘度陶瓷漿料加入到壓注機加料室內(nèi)，閉模后在壓力及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體，待這一過程充分進(jìn)行后，實施加熱保壓，模具溫度為60℃，所加壓力為50MPa，10min后固化成形，脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件，然后燒結(jié)獲得成品。
本技術(shù)的關(guān)鍵，一是要保證配置后的陶瓷坯料壓注流動充填、浸滲過程可靠。二是要實現(xiàn)快速原位固化，固化時間應(yīng)控制在1min～30min。固化速度快，工藝的可控性能、可操作性變差，反之，固化速度慢，生產(chǎn)效率低。解決的辦法是通過調(diào)節(jié)單體、引發(fā)劑種類和用量，降低坯料溫度來延遲固化時間，坯料固化前的停放、操作過程中，溫度應(yīng)控制在0～25℃之間，故盛裝坯料的容器與壓機加料室應(yīng)采用水冷。坯料快速固化成形的實現(xiàn)是通過加熱模具和加壓保壓實現(xiàn)的。也就是說，坯料在充型流動充填浸滲前不允許出現(xiàn)任何固化現(xiàn)象，而在之后應(yīng)盡快固化成形。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，其特征在于該技術(shù)包括下列各步驟a、配料，在水中加入6～35wt％的凝膠單體與交聯(lián)單體配制成預(yù)混液，凝膠單體與交聯(lián)單體的比例為5∶1～250∶1之間，并在預(yù)混液中加入陶瓷粉體質(zhì)量0.01～1wt％的有機分散劑，再在上述預(yù)混液中加入陶瓷粉體，加入量為預(yù)混液和陶瓷粉體總量的50～60vol％體積分?jǐn)?shù)；b、攪拌，將上述配制的陶瓷濃懸浮體進(jìn)行攪拌球磨1～48h，制備動力粘度＜0.25Pa·s的坯料，將坯料溫度保持在0～25℃之間，按每1000g水中加入0.1～30ml引發(fā)劑，邊均勻攪拌邊進(jìn)行真空除泡；c、壓注、浸滲、固化，將纖維預(yù)制體置于壓注機模具內(nèi)，再將上述攪拌好的高固相含量、低粘度陶瓷漿料加入到壓注機加料室內(nèi)，閉模后在壓力及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體，待這一過程充分進(jìn)行后，實施加熱保壓，模具溫度在25～95℃之間，所加壓力在0.1～200Mpa之間，保壓時間為1min～30min之間，坯料在溫度和壓力的作用下固化，并與纖維預(yù)制體牢固粘結(jié)復(fù)合成形；d、脫模，脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件，然后進(jìn)行燒結(jié)獲得成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，其特征在于所述的纖維預(yù)制體為短纖維晶須形成的多孔網(wǎng)格狀預(yù)制體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，其特征在于所述的纖維預(yù)制體為長纖維形成的三維編織預(yù)制體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，其特征在于所述的有機單體為丙烯酰胺，所述的交聯(lián)單體為亞甲基雙丙烯酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù)，其特征在于所述的引發(fā)劑為過硫酸銨。
全文摘要
一種纖維增強陶瓷基復(fù)合材料成形技術(shù),包括下列步驟:在水中加入6～35wt%的凝膠單體與交聯(lián)單體配制成預(yù)混液,并在預(yù)混液中加入有機分散劑,再在上述預(yù)混液中加入陶瓷粉體;將上述配制的陶瓷濃懸浮體進(jìn)行攪拌球磨,加入引發(fā)劑,邊均勻攪拌邊進(jìn)行真空除泡;再將攪拌好的高固相含量、低粘度陶瓷漿料加到壓注機加料室內(nèi),閉模后在壓力及超聲波振動條件下注入、充填、浸滲纖維預(yù)制體,坯料在溫度和壓力的作用下固化,并與纖維預(yù)制體牢固粘結(jié)復(fù)合成形;脫模獲得纖維增強陶瓷基復(fù)合材料坯件。本發(fā)明通過壓注機使陶瓷濃懸浮體壓注、浸滲增強纖維預(yù)制體,然后原位固化成形,以制備形狀復(fù)雜、高密度、高均勻性、高強度、高韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。
文檔編號B28B1/52GK1387984SQ0213785
公開日2003年1月1日 申請日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者施江瀾 申請人:施江瀾