一种连续纤维增韧MAX相陶瓷基复合材料预浸料及其制备方法

本发明属于max相陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷因高温下具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和机械性能，而成为工业界和学术界在恶劣环境下的首选材料。max相陶瓷是一个纳米层状碳化物或氮化物的独特种类，具有轻质、低蠕变、耐疲劳和耐腐蚀性，并具有高熔化温度、高温下的高强度和低膨胀系数，在电极材料、高温结构材料、防腐材料和其他新兴技术中引起了广泛关注。然而，与金属或聚合物相比，陶瓷很难加工，尤其是复杂形状的陶瓷，另外其较低的韧性和抗损伤能力也限制了陶瓷的应用范围，其需要利用耐热性好的高性能纤维对其进行增韧。

2、陶瓷纤维具有优异的性能，如高强度、高模量、优异的耐热性和抗氧化性、在辐照条件下的低活性和电磁吸收等优异特性，因此，陶瓷纤维在航空、航天、核能和武器装备等领域具有广阔的应用前景。其中，碳化硅纤维在高温下能保持良好的力学性能和抗蠕变性能，第三代碳化硅纤维在1600℃及更高温度下仍保持2.0gpa的强度。因此，倘若能将max相陶瓷粉末均匀分散在连续碳化硅纤维中，便可通过后续烧结工艺制得具有良好韧性的纤维增强max相陶瓷基复合材料。

3、目前国内已经有一部分对纤维增强陶瓷基复合材料的研究，如中国科学院金属研究所提出将短纤维与max相陶瓷粉进行混合搅匀，烘干压制后烧结，得到纤维增强陶瓷基复合材料，然而该方法只适用于短切纤维，且无法使陶瓷粉在连续纤维上良好复合；航天材料及工艺研究所与中国运载火箭技术研究院提出将纤维预成形体浸渍于硅溶胶后反复干燥与浸渍，以去除预成形体中的有机纤维，得到纤维增强陶瓷基复合材料。然而，该方法需要反复浸渍硅溶胶，工艺繁琐，生产效率低，且容易导致连续纤维束散开，使得增韧效果下降；山东工业陶瓷研究设计院有限公司使用碳化硼胶体对碳纤维预制体进行浸渍，然后对胶体进行老化得到毛胚，并利用碳化硅前驱体和超高温陶瓷前驱体的前驱体溶液浸渍毛胚，溶液固化后在高温下进行热处理得到纤维增强陶瓷基复合材料。然而，该方法原料复杂，步骤繁琐，且过程中涉及1000℃以上的热处理过程，因而对设备要求苛刻。

技术实现思路

1、为了改善上述技术问题，本发明提供一种连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料及其制备方法。

2、本发明提供一种连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将分散剂、粘合剂与水混合配制成胶液，将胶液和max相陶瓷粉末混合，得到max相分散液；

4、(2)将连续纤维浸渍于max相分散液中，并施加压力(促进分散液的渗透)，得到预浸料前驱体；

5、(3)将预浸料前驱体沿纤维轴向施加张力(保证预浸料前驱体的平整)；

6、(4)对预浸料干燥(除去水分)，得到所述连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料。

7、根据本发明的实施方案，所述粘合剂可以为聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、甲基纤维素、硅溶胶中的一种、两种或更多种。

8、优选地，所述聚乙烯醇可以为1788型聚乙烯醇。

9、优选地，所述胶液中，聚乙烯醇质量分数为5～20％，示例性为5％、10％、15％、20％。

10、根据本发明的实施方案，所述分散剂可以为硅烷偶联剂、聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸钠、丙烯酸中的一种、两种或更多种。

11、优选地，所述硅烷偶联剂可以为kh560型硅烷偶联剂。

12、优选地，所述胶液中，硅烷偶联剂的质量分数为3～10％，示例性为3％、5％、7％、9％、10％。

13、根据本发明的实施方案，所述max相分散液中，胶液与max相陶瓷粉末的质量比为(0.1～10)：1，示例性为0.5:1、1:1、2:1、4:1、6:1、8:1、10:1。

14、根据本发明的实施方案，所述max相陶瓷粉末可以为ti2alc、ti3sic2、ti3alc2中的至少一种。

15、优选地，所述max相陶瓷粉末的粒径为3～10μm，示例性为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。

16、根据本发明的实施方案，所述连续纤维可以为纤维单向带、二维纤维织物或三维纤维织物，优选为二维纤维织物。

17、根据本发明的实施方案，所述连续纤维可以为碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维或其混合物。优选地，所述连续纤维为碳化硅纤维，更优选为sic纤维织物。示例性为单层sic纤维织物。

18、优选地，所述单层sic纤维织物中碳化硅纤维的直径为5～10μm；示例性为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。

19、根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述施加压力优选通过压辊对连续纤维施加压力。优选地，所述施加的压力大小为5～15n，示例性为5n、7n、9n、11n、13n、15n。

20、根据本发明的实施方案，步骤(3)中，通过在夹具上悬挂重物对悬空固定的预浸料前驱体施加张力。优选地，所述施加的张力大小为1～5n，示例性为1n、2n、3n、4n、5n。

21、根据本发明的实施方案，步骤(4)中，所述干燥的方式可以为真空干燥。优选地，所述干燥的温度为40～80℃，时间为3～8h。

22、本发明还提供由上述方法制备得到的连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料。

23、根据本发明的实施方案，所述max相陶瓷基复合材料预浸料的面密度为410-660g/m2，示例性为410g/m2、490g/m2、530g/m2、660g/m2。

24、本发明还提供上述陶瓷基复合材料预浸料在航空、航天、核能和武器装备等领域中的应用。

25、本发明的有益效果:

26、(1)本发明采用的湿法预浸料制备工艺通过将max相陶瓷粉末与连续纤维(如纤维织物)进行均匀分散，相比粉体烧结、化学气相沉积等方法具有工艺简单、操作安全、不损伤纤维等优势。本发明所制得的预浸料具有良好的可弯折性，在90°弯折下表面无开裂，适合设计成复杂的构件形状。本发明预浸料中的树脂在400℃以上即可分解，在烧结工艺后基本无残留。

27、(2)本发明还可以通过调节max相分散液中max相陶瓷粉末与连续纤维的配比，以制得可以满足不同需求的陶瓷基复合材料预浸料。本发明制备的预浸料具有铺覆性好、储存期长、制备成本低、工艺简单、节能环保等优势。

技术特征：

1.一种连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘合剂可以为聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、甲基纤维素、硅溶胶中的一种、两种或更多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂可以为硅烷偶联剂、聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸钠、丙烯酸中的一种、两种或更多种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述max相分散液中，胶液与max相陶瓷粉末的质量比为(0.1～10)：1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述连续纤维可以为纤维单向带、二维纤维织物或三维纤维织物，优选为二维纤维织物。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述施加的压力大小为5～15n。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述施加的张力大小为1～5n。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为40～80℃，时间为3～8h。

9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料。

10.权利要求9所述的连续纤维增韧max相陶瓷基复合材料预浸料在航空、航天、核能和武器装备等领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种连续纤维增韧MAX相陶瓷基复合材料预浸料及其制备方法，包括以下步骤：将分散剂、粘合剂与水混合配制成胶液，将胶液和MAX相陶瓷粉末混合，得到MAX相分散液；将连续纤维浸渍于MAX相分散液中，并施加压力促进分散液的渗透，得到预浸料前驱体；将预浸料前驱体利用夹具使之水平悬空固定，并沿纤维经向与纬向分别施加一定张力，保证预浸料前驱体的平整；将夹具连同预浸料放入真空干燥箱在一定温度下真空干燥除去水分，得到连续纤维增韧MAX相陶瓷基复合材料预浸料。本发明制备的预浸料具有铺覆性好，储存期长，制备成本低，工艺简单，节能环保等优势。

技术研发人员：白致铭,王凯,郭洪波,张思益,吴海宁,孙娜娜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学合肥创新研究院（北京航空航天大学合肥研究生院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15