本發(fā)明屬于石英復(fù)合材料，具體涉及表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，導(dǎo)彈的速度、打擊距離和機(jī)動(dòng)性等方面都在不斷進(jìn)步。為了使導(dǎo)彈能更好地適應(yīng)高速度飛行所遇到的惡劣環(huán)境，各部件性能的要求也在隨著飛行速度的提升而不斷提升。其中，位于導(dǎo)彈最前端的天線罩是導(dǎo)彈的重要組成部分和透波部件，主要作用為承受氣動(dòng)載荷和保證信號(hào)的正常傳輸，最終保證導(dǎo)彈的精確打擊。因此，為了更好的保證天線系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，天線罩材料必須具備良好的力學(xué)性能和電學(xué)性能。

2、盡管已有眾多單相陶瓷材料被應(yīng)用于制備透波部件，但由于其強(qiáng)度低、脆性大，因此人們開始尋求使用第二相纖維來(lái)增強(qiáng)單相陶瓷，制備復(fù)合材料。復(fù)合材料主要包括增強(qiáng)相（纖維）、界面相和基體三部分，其中界面相由于連接著纖維與基體，是復(fù)合材料的重要組成部分，其主要作用包括：（1）傳遞載荷，在復(fù)合材料中，纖維承擔(dān)著主要的載荷，因此一定強(qiáng)度的界面才能使得載荷成功傳遞；（2）保護(hù)纖維，一旦纖維被破壞或氧化，材料的力學(xué)性能會(huì)大幅下降，界面層可以起到對(duì)纖維的保護(hù)作用；（3）裂紋阻斷效應(yīng)，當(dāng)裂紋通過(guò)擴(kuò)展到達(dá)界面層時(shí)，界面層可以通過(guò)阻斷裂紋或者使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而避免裂紋進(jìn)一步向纖維擴(kuò)展。

3、目前，制備界面相的方法主要包括溶膠凝膠法、化學(xué)液相沉積法、電泳沉積法和漿料浸漬法等。其中，化學(xué)液相沉積法主要是氣體擴(kuò)散反應(yīng)，在纖維表面形核并平行生長(zhǎng)，待一層完全沉積后繼續(xù)沉積下一層，故沉積時(shí)間恰好滿足整數(shù)層才能得到均勻致密的界面相，該方法沉積速率緩慢，且原料利用率低，原料及產(chǎn)物存在污染。電泳沉積法雖然克服了原料利用率低的缺點(diǎn)，但對(duì)沉積物尺寸的依賴性較高，制備的界面相由微小顆粒組成，可能導(dǎo)致界面結(jié)合力與偏轉(zhuǎn)裂紋能力過(guò)低。溶膠凝膠法和漿料浸漬法類似，都是通過(guò)纖維浸漬燒結(jié)的方式來(lái)制備界面相，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用的也較為廣泛。

4、裂解碳（pyc）作為一種新興的界面材料，展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用潛力。這種材料能夠通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)或有機(jī)前驅(qū)體的熱解過(guò)程，簡(jiǎn)便地沉積于基體表面。但在高溫條件下，裂解碳容易受到二氧化硅的腐蝕。因此目前關(guān)于裂解碳涂層在三維氧化物/氧化物復(fù)合材料的構(gòu)建中的應(yīng)用相對(duì)較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)pip工藝在石英纖維表面構(gòu)建pyc涂層，形成了弱結(jié)合界面，該界面能夠有效分散和吸收外力能量，進(jìn)而提升石英復(fù)合材料力學(xué)性能，增強(qiáng)其耐用性和可靠性，延長(zhǎng)了使用壽命。此外，該石英復(fù)合材料在x波段展現(xiàn)出了優(yōu)異的透波性能，介電常數(shù)穩(wěn)定，損耗極低，為飛機(jī)雷達(dá)及天線罩材料的制備提供了重要思路。

2、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料，該復(fù)合材料得益于其弱結(jié)合界面所具備的能量耗散路徑，展現(xiàn)出卓越的使用壽命和增強(qiáng)的耐用性。

3、本發(fā)明所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）纖維表面處理：將石英纖維用清潔劑浸泡后熱處理，得到石英纖維預(yù)制體；

5、（2）聚酰亞胺溶液配制：將聚酰亞胺加入到n,n-二甲基乙酰胺中，配制得到濃度為1~5wt.%的聚酰亞胺溶液；

6、（3）pyc涂層制備：將石英纖維預(yù)制體與聚酰亞胺溶液放入坩堝中，真空浸漬，然后進(jìn)行梯度升溫保溫，得到含有pyc臨時(shí)碳涂層的石英纖維預(yù)制體；

7、（4）石英復(fù)合材料的制備：將含有pyc臨時(shí)碳涂層的石英纖維預(yù)制體浸入硅溶膠中，超聲處理后進(jìn)行真空浸漬，得到濕坯，保溫靜置后形成凝膠，對(duì)凝膠進(jìn)行干燥，燒結(jié)后，循環(huán)真空浸漬，至復(fù)合材料密度不再增加，即得表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料。

8、所述的步驟（1）中，清潔劑為丙酮、乙醇、高錳酸鉀溶液、硫酸、氫氟酸或過(guò)氧化氫溶液中的一種。

9、所述的步驟（1）中，熱處理的溫度為400~500℃，時(shí)間為1~2h。

10、所述的步驟（3）中，聚酰亞胺的加入量為石英纖維預(yù)制體質(zhì)量的5~35wt.%。

11、所述的步驟（3）中，真空浸漬的壓力為-0.06~-0.10mpa，時(shí)間為1~2h。

12、所述的步驟（3）中，梯度升溫保溫的過(guò)程為：以5~10℃/min的速率升溫至70~80℃，保溫1.5~2h；再以5~10℃的速率升溫至150~160℃，保溫1~1.5h；再以5~10℃的速率升溫至230~240℃，保溫1~1.5h；最后以5~10℃的速率升溫至300~310℃，保溫0.5~1h。

13、所述的步驟（4）中，硅溶膠的濃度為20~40wt.%。

14、所述的步驟（4）中，真空浸漬的壓力為-0.06~-0.10mpa，時(shí)間為1~2h；保溫靜置的溫度為80~100℃，時(shí)間為1~2h。

15、所述的步驟（4）中，燒結(jié)的溫度為400~500℃，時(shí)間為1~2h。

16、所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料，由上述的制備方法制備得到。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果如下：

18、（1）本發(fā)明所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)獨(dú)特的pip（前驅(qū)體浸漬裂解）工藝，在石英纖維表面精確構(gòu)建了一層致密且均勻的聚酰亞胺薄膜，并成功引入了裂解碳（pyc）涂層，因而在石英纖維與基體材料之間創(chuàng)建了一個(gè)弱結(jié)合界面，這一界面在復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，能夠有效地分散和吸收能量。當(dāng)基體中產(chǎn)生裂紋時(shí)，該界面會(huì)觸發(fā)一系列能量耗散機(jī)制，包括脫粘、裂紋撓曲、纖維橋接直至纖維拔出，這些過(guò)程共同作用，顯著提高了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。同時(shí)，由于弱結(jié)合界面的能量耗散路徑的存在，能夠延長(zhǎng)復(fù)合材料的使用壽命，在長(zhǎng)期使用或極端工況下，復(fù)合材料能夠更好地抵抗疲勞破壞，減少因裂紋快速擴(kuò)展而導(dǎo)致的突然失效，從而顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的耐用性和可靠性；

19、（2）本發(fā)明所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料，在頻率為8.2~12.4ghz的x波段，介電常數(shù)為2.5~3，損耗角正切值tanδ小于0.01，透波性能優(yōu)異，能夠?yàn)橹苽渚哂袃?yōu)異力學(xué)性能和透波性能的飛機(jī)雷達(dá)和天線罩材料提供重要思路。

技術(shù)特征：

1.一種表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（1）中，清潔劑為丙酮、乙醇、高錳酸鉀溶液、硫酸、氫氟酸或過(guò)氧化氫溶液中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（1）中，熱處理的溫度為400~500℃，時(shí)間為1~2h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（3）中，聚酰亞胺的加入量為石英纖維預(yù)制體質(zhì)量的5~35wt.%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（3）中，真空浸漬的壓力為-0.06~-0.10mpa，時(shí)間為1~2h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（3）中，梯度升溫保溫的過(guò)程為：以5~10℃/min的速率升溫至70~80℃，保溫1.5~2h；再以5~10℃的速率升溫至150~160℃，保溫1~1.5h；再以5~10℃的速率升溫至230~240℃，保溫1~1.5h；最后以5~10℃的速率升溫至300~310℃，保溫0.5~1h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（4）中，硅溶膠的濃度為20~40wt.%。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（4）中，真空浸漬的壓力為-0.06~-0.10mpa，時(shí)間為1~2h；保溫靜置的溫度為80~100℃，時(shí)間為1~2h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（4）中，燒結(jié)的溫度為400~500℃，時(shí)間為1~2h。

10.一種表面具有pyc涂層的石英復(fù)合材料，其特征在于，由權(quán)利要求1~9任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于石英復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及表面具有PyC涂層的石英復(fù)合材料及其制備方法。包括以下步驟：（1）將石英纖維浸泡熱處理后得到石英纖維預(yù)制體；（2）配制聚酰亞胺溶液；（3）將石英纖維預(yù)制體與聚酰亞胺溶液混合后進(jìn)行真空浸漬與升溫保溫；（4）然后浸入硅溶膠中，經(jīng)真空浸漬與保溫靜置后形成凝膠，凝膠干燥燒結(jié)后循環(huán)真空浸漬至密度不再增加，即得表面具有PyC涂層的石英復(fù)合材料。通過(guò)PIP工藝在石英纖維表面構(gòu)建了PyC涂層，有效提升了石英復(fù)合材料力學(xué)性能，增強(qiáng)了耐用性和可靠性。此外，該石英復(fù)合材料在x波段展現(xiàn)出優(yōu)異的透波性能，介電常數(shù)穩(wěn)定，損耗極低，為飛機(jī)雷達(dá)及天線罩材料的制備提供了重要思路。

技術(shù)研發(fā)人員：溫廣武,張霞,陳陽(yáng),張麗娟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/4