专利名称：一种强度可设计可焊接的SiC<sub>f</sub>/Ti基复合材料0/90°层合薄板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制备技术，具体的说是强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板及其制备方法。
背景技术：
随着航空、航天工业的发展，对工程材料提出了更高的要求，例如低密度、高强度、 高模量、耐高温等等。然而，传统Ti合金和高温合金的性能已经调整至极限，因此必须发展新型高温材料，以满足航空、航天及其它先进技术行业的迫切需求。SiCf/Ti基复合材料相比传统Ti合金具有更高的比强度、比模量和更好的热稳定性等优点，因而成为新型高性能空间结构材料的一个重要发展方向，有望在未来航空、航天领域的高温轻质部件中大量应用。SiCf/Ti基复合材料预制体的制备技术主要有1)箔-纤维-箔(FFF) ；2)涂敷基体的预制带的(MCM) ；3)基体涂敷的纤维(MCF)三种方法。FFF法因制备工艺简单而应用最多，但是其缺点是制箔困难，纤维在复合材料中的排布整齐性较差，降低材料性能；MCM 法主要采用等离子喷涂技术，但在喷涂过程中高温高速的基体粒子可能造成纤维表面的损伤，此外，该方法所需设备复杂、价格昂贵也制约了它的推广使用；近年来MCF法采用物理气相沉积(PVD)，特别是用磁控溅射技术在SiC纤维表面沉积Ti合金基体，制成复合材料先驱丝，而后复合成型制备复合材料的工艺路线引起了各国研究者的广泛关注。它的优点是基体种类不受限制，纤维的体积分数可控，可以制备复杂形状的部件。目前，SiCf/Ti基复合材料板材的应用主要是制备单向层和板，一般较多采用FFF 法，主要由于其工艺简单。但缺点很多，一方面，如上所述，FFF方法不适用于制备SiC纤维增强高温Ti合金(Ti55、Ti60等)、金属间化合物(Ti2AlNb、TiAl等)、甚至一些常见Ti合金 (TC17、Ti6246等)，原因是绝大多数Ti合金箔材难于制备。而且该方法在复合成型过程中， 纤维位置难于控制，极易发生临近纤维接触，或纤维在基体中分布不均勻，从而形成缺陷影响材料性能；另一方面，单向的铺层方式导致层合板强烈的各项异性特征，强度，模量等性能在垂直和平行于纤维方向的两个极值间变化，在垂直于纤维方向时，材料的性能远低于基体本身性能，因此，限制了 SiCf/Ti基复合材料单向层合板在实际中的应用。大直径单丝SiC纤维是脆性增强相，弯曲角度很小，尤其是在SiC纤维表面包覆Ti 合金基体之后，先驱丝近乎不可弯折，因此无法通过编织手段制备各项同性或各项异性特征不明显的SiCf/Ti基复合材料板材。事实上，只能通过铺层设计来满足设计要求的性能。
发明内容
为了克服现有技术中SiCf/Ti基复合材料层合薄板的铺层方式仅限于单向排布，层合板的各项异性特征明显，被增强的Ti合金基体种类极少，材料内部纤维分布不均等不足，本发明的目的在于提供一种复合材料强度可设计可焊接，结合致密，各项异性程度低的 SiCfAi基复合材料0/90°层合薄板；本发明的另一个目的在于提供一种纤维体积分数可
4控、纤维在复合材料中排布整齐、适用于增强绝大多数Ti合金基体、并且可设计薄板强度的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案是
一种强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板，包括SiCf/Ti基复合材料先驱丝，其中先驱丝SiC纤维为基材，外层为Ti合金，SiC纤维占先驱丝的体积分数为25-80%，SiC纤维在层合薄板中以0/90°的铺层方式横纵交叉排布，其在层合薄板中的分布为近六角密堆积结构，层合薄板外层为与先驱丝外层材料相同的Ti合金基体。铺层方式为η层纵向、m层横向、η层纵向、m层横向……的交叉铺层方式叠放，其中η取l-5，m取1-5，层合薄板总层数不多于20层。横纵交错的层与层之间可以设置有与先驱丝外层材料相同的Ti合金基体。通过改变SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板中SiC纤维的体积分数，所选用的 Ti合金的种类，先驱丝的铺层方式改变层合薄板的强度。一种上述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，包括以下步骤
(1)以清洁的连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，用磁控溅射技术制备SiCf/Ti基复合材料先驱丝，其中SiC纤维占先驱丝的体积分数为25-80%的；
所需磁控溅射的参数为靶-基距离为10-150mm，溅射功率为200-4000W，通过调节磁控溅射的时间控制SiC纤维的体积分数。(2)以光滑的、平整的、清洁的不锈钢板作为载体，以步骤(1)中相同的Ti合金为靶材，利用磁控溅射技术制备小尺寸厚度为0. 05-0. 2mm的Ti合金基体箔片。所需磁控溅射的参数为靶-基距离为lO-lOOmm，溅射功率为500-3000W，通过调节磁控溅射的时间控制基体箔片的厚度，溅射结束，从不锈钢板上揭下Ti合金基体箔片。(3)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的单层板，精密绕线从动轴的节距应略低于先驱丝直径，先驱丝间用粘结剂连接；
利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的单层板的工艺为精密绕线机的主动轴转速为15-30转/分钟；从动轴节距设为先驱丝直径的80-100%;先驱丝张力控制在 1. 29Χ1(Γ3-2. 06 X IO^3N · m。粘结剂是聚苯乙烯、二甲苯以1 :5-10的重量比充分混合、溶解得到。(4)根据所需的强度，所选Ti合金的种类以及步骤(1)中SiC纤维体积分数选择层数，按照0/90°的铺层方式叠放若干层先驱丝单层板，在已完成铺层的整体层合板上、下叠各放基体箔片，最外层包裹Ti箔，获得预制体包；
所述整体层合板上、下各叠放基体箔片的厚度为1-10层0. ImmTi合金基体箔片，最外层包裹2-4层0. 025-0. Imm厚的Ti箔。在整体层合板上下分叠放Ti合金基体箔片的目的是达到可焊接的目的，综合考虑氩弧焊、扩散焊等焊接方式的影响区深度，将Ti合金箔片的厚度定在0. I-Imm,当焊接完成后，不会对内部复合材料造成损伤；
可以根据SiC纤维的体积分数的多少，在交错的先驱丝单层板之间加入步骤(2)中厚度0-0. 2mmTi合金基体箔片；在横纵交错的单层板之间加Ti合金基体箔片的目的是，避免先驱丝相互压折，比如纤维在先驱丝中的体积分数很大，高于50%时，此时基体余量较少， 层间才需要加入Ti合金箔片，一般0. 2mm以下的箔片足以达到该目的；而在体积分数很小，低于50%的时候，基体量很大，此时完全没有必要加入箔片纤维也不会被压折，所以这里的基体箔片的总厚度可以定为0-0. 2mm。铺层方式为η层纵向、m层横向、η层纵向、m层横向……的交叉铺层方式叠放，其中η取1-5，m取1-5，层合薄板总层数不多于20层。铺层方式是根据设计性能要求进行选择，所需的强度，Ti合金的种类以及步骤(1)中SiC纤维体积分数和层数所满足的公式为薄板的纵向近似
强度满足公式
权利要求
1.一种强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板，其特征在于，包括 SiCfAi基复合材料先驱丝，其中先驱丝以Sic纤维为基材，外层为Ti合金，Sic纤维占先驱丝的体积分数为25-80%，SiC纤维在层合薄板中以0/90°的铺层方式横纵交叉排布，其在层合薄板中的分布为近六角密堆积结构，层合薄板层与层之间以及外层为与先驱丝外层材料相同的Ti合金基体。
2.一种强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)以连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，用磁控溅射技术制备SiC纤维体积分数为 25-80%的SiCf/Ti基复合材料先驱丝；(2)以不锈钢板作为载体，以步骤(1)中相同的Ti合金为靶材，利用磁控溅射技术制备小尺寸厚度为0. 05-0. 2mm的基体箔片；(3)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的单层板，精密绕线从动轴的节距应略低于先驱丝直径，先驱丝间用粘结剂连接；(4)根据所需的强度，所选Ti合金的种类以及步骤(1)中SiC纤维体积分数选择层数， 按照0/90°的铺层方式叠放若干层先驱丝单层板，在已完成铺层的整体层合板上、下叠各放基体箔片，最外层包裹Ti箔，获得预制体包；(5)去除预制体包内的粘结剂；(6)采用热压或热等静压技术将去除粘结剂的预制体包复合成型。
3.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(1)中磁控溅射的参数为靶-基距离为10-150mm，溅射功率为200-4000W，通过调节磁控溅射的时间控制SiC纤维的体积分数。
4.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中铺层方式为η层纵向、m层横向、η层纵向、m层横向…… 的交叉铺层方式叠放，其中η取1-5，m取1-5，层合薄板总层数不多于20层。
5.按照权利要求4所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(4)中根据SiC纤维的体积分数，在交错的先驱丝单层板之间加入步骤(2)中厚度0-0. 2mm基体箔片，所述整体层合板上、下各叠放基体箔片的厚度为 1-10层0. Imm基体箔片，最外层包裹2-4层0. 025-0. Imm厚的Ti箔。
6.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90° 层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(4)中所需的强度，Ti合金的种类以及步骤(1)中S i C纤维体积分数和层数所满足的公式为薄板的纵向近似强度满足公式=+Oe(I-Vf),薄板的横向近似强度满足公式Iw-l· M丹1K+0^H)，胃中《“为薄板白勺乡从向 似强度，^为薄板横向 似强 Ni-Muo"so度，N为纤维纵向总铺层数，M为纤维横向总铺层数，%为SiC纤维断裂强度， 为基体Ti合金的断裂强度，Vf为SiC纤维在复合材料中的体积分数。
7.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(2)中磁控溅射的参数为靴-基距离为lO-lOOmm，溅射功率为500-3000W，通过调节磁控溅射的时间控制基体箔片的厚度，溅射结束，从不锈钢板上揭下基体箔片。
8.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(3)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的单层板的工艺为 精密绕线机的主动轴转速为15-30转/分钟；从动轴节距设为先驱丝直径的80-100% ；先驱丝张力控制在 1. 29X 1(Γ3-2· 06 X 10, · m。
9.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于步骤(3)粘结剂是聚苯乙烯、二甲苯以1 :5-10的重量比充分混合、 溶解得到。
10.按照权利要求2所述的强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板的制备方法，其特征在于，步骤(6)中热压工艺参数为温度850-950°C，压力20-60MPa， 恒温恒压60-240min ；热等静压工艺参数为温度850-950°C，压力80_180MPa，恒温恒压 60-240mino
全文摘要
本发明为一种强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板及其制备方法，其制备方法包括利用磁控溅射法获得镀层厚度均匀的SiC纤维体积分数为25-80%的SiCf/Ti基复合材料先驱丝；将先驱丝排布成致密的单层板；根据所需的强度，所选Ti合金的种类以及SiC纤维体积分数选择层数，按照0/90°的铺层方式叠放多层先驱丝板，层与层之间以及外层为与先驱丝外层材料相同的Ti合金，外部包裹Ti箔得到预制体；去除粘结剂，利用热压或热等静压技术将其复合成型；本发明复合材料的强度可设计，层合板中纤维体积分数可控，其排布呈现近完美的六角密堆积形式，提高了材料的力学性能，0/90°的交叉铺层方式解决了单向层合板横向性能差的问题，提高了材料的扭曲刚度、横向刚度和抗冲击能力。
文档编号C22C47/20GK102277544SQ20111024108
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者张旭, 杨锐, 杨青, 王玉敏, 雷家峰 申请人:中国科学院金属研究所