專利名稱：碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磷酸鹽基復(fù)合陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝。
背景技術(shù)：
磷酸鹽在1200 1800°C范圍內(nèi)仍具有穩(wěn)定性能，適用于磷酸鹽基復(fù)合材料領(lǐng)域制備高溫膠粘劑或耐高溫抗沖刷涂層。國(guó)內(nèi)外通常使用石英纖維作為增強(qiáng)體來(lái)制備石英纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料，用于耐高溫材料的制作。20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，美國(guó)海軍航空局資助General Electric公司著手研究低成本磷酸鹽高溫天線罩材料，得到了能在315°C 以下固化、650°C仍保持較好力學(xué)性能和電性能的石英織物增強(qiáng)磷酸鋁基復(fù)合材料。德國(guó) Brunswick公司在空軍航空電子設(shè)備實(shí)驗(yàn)室資助下，也于1963年開(kāi)始研制能在698. 7°C條件下長(zhǎng)時(shí)間(IOOOh)工作的石英纖維增強(qiáng)磷酸鹽天線罩材料，并采用纏繞法制備出了高度為1. 6m、綜合性能與微晶玻璃相近的天線罩樣件。俄羅斯(前蘇聯(lián))在20世紀(jì)50年代就以防熱材料為目的進(jìn)行磷酸鹽材料的研究，后將該項(xiàng)技術(shù)推廣到耐熱透波材料領(lǐng)域，其在磷酸鹽材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先水平。北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院制備了石英玻璃布增強(qiáng)磷酸鋁復(fù)合材料，其潛在用途為環(huán)境溫度在1200°C以下的天線窗材料和小型透波防熱部件。哈爾濱工業(yè)大學(xué)用石英纖維布浸漬磷酸鋁溶液，疊層后在280°C低溫?zé)Y(jié)致密化， 得到了彎曲強(qiáng)度達(dá)84MPa的石英纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料，力學(xué)性能高于二氧化硅顆粒增強(qiáng)的磷酸鹽復(fù)合材料。以上材料在航天領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用的主要是硅質(zhì)纖維增強(qiáng)磷酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復(fù)合材料。經(jīng)復(fù)合固化后的磷酸鉻基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)120MPa，力學(xué)、物理性能良好，電性能穩(wěn)定，可在1200下使用；磷酸鉻鋁基復(fù)合材料在1200 1500°C性能穩(wěn)定；磷酸鋁基復(fù)合材料的耐溫更高，可在1500 1800下正常工作。目前，這類材料在巡航導(dǎo)彈、反導(dǎo)型、戰(zhàn)術(shù)型導(dǎo)彈及航天飛機(jī)上獲得了應(yīng)用。但是，由于石英纖維強(qiáng)度低(為70N左右)，軟化點(diǎn)為1200，因此該體系材料也存在強(qiáng)度不高(彎曲強(qiáng)度在80 120MPa左右)，在1000 高溫下強(qiáng)度將會(huì)迅速下降(僅為20 25MPa)，超過(guò)1200則不能使用的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，利用該成型工藝制得的產(chǎn)品具有耐高溫、抗燒蝕、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理將碳纖維材料和/或碳纖維織物放入酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬10 15min后取出，然后固化，再高溫?zé)Y(jié)，形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鹽溶液和固化劑按質(zhì)量比1 2 1的比例混合均勻， 控制其粘度在1. 0 1. 5Pa *S，其中，所述磷酸鹽溶液為磷酸鉻鋁或磷酸鋁或磷酸鉻的丙酮溶液，所述固化劑為Al2O3粉末；3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和/或碳纖維織物表面，形成碳纖維預(yù)混料，低溫儲(chǔ)存；4)制作產(chǎn)品型腔模具；5)采用鋪層方法將一部分碳纖維預(yù)混料鋪放在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；6)再將其余的碳纖維預(yù)混料拉伸纏繞在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；7)然后在真空環(huán)境下對(duì)型腔模具進(jìn)行固化，控制固化溫度為150 200，固化時(shí)間為1 汕；8)固化完畢后，卸模，即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型產(chǎn)品。優(yōu)選地，所述步驟1)中，酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液的重量百分比濃度為5 7%。進(jìn)一步地，所述步驟1)中，高溫?zé)Y(jié)是在800 1200°C的溫度下熱處理20 60mino進(jìn)一步地，所述步驟幻中，磷酸鹽漿料與經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和/或碳纖維織物的重量比為2 3 1。還進(jìn)一步地，所述步驟3)中，低溫儲(chǔ)存的溫度為-5 10°C。又進(jìn)一步地，所述步驟6)中，以8 15N的纏繞張力將碳纖維預(yù)混料纏繞在型腔模具上。再進(jìn)一步地，所述步驟7)中，真空環(huán)境的真空度控制在_50Pa。更進(jìn)一步地，所述步驟7)中，真空環(huán)境的真空度控制在_50Pa，固化溫度控制在 150 180°C。本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝中各步驟工藝參數(shù)限定原理及優(yōu)點(diǎn)如下通過(guò)采用經(jīng)抗氧化預(yù)處理碳纖維作為增強(qiáng)材料、磷酸鹽作為基體材料，將碳纖維和磷酸鹽粘合一起，形成一種新型耐高溫磷酸鹽基復(fù)合碳纖維預(yù)混料。該碳纖維預(yù)混料充分結(jié)合了碳纖維的高強(qiáng)度以及磷酸鹽高耐溫(1200 1800°C )和良好粘合性的優(yōu)點(diǎn)，在高溫?zé)o氧環(huán)境下仍能保持較高力學(xué)性能，大大提高了磷酸鹽基復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐高溫、抗燒蝕性能。該碳纖維預(yù)混料制備完成后，在-5 10°C條件下儲(chǔ)存?zhèn)溆?。然后根?jù)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的尺寸和形狀，制作內(nèi)型面相同的型腔模具，依靠型面定位達(dá)到產(chǎn)品要求，碳纖維預(yù)混料采用手工鋪層+纖維纏繞加壓工藝方法鋪覆在型腔模具表面直至設(shè)定的厚度，鋪覆時(shí)須預(yù)留型腔模具的底面不鋪覆，以便固化定型后卸模。最后在真空環(huán)境下對(duì)型腔模具進(jìn)行固化， 固化后卸模即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型產(chǎn)品。本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝具有操作簡(jiǎn)單，成型制備溫度低的特點(diǎn)，能適用于制備各種形狀復(fù)雜以及面積大的產(chǎn)品制作，生產(chǎn)周期短，便于實(shí)現(xiàn)工程化運(yùn)用。本碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料常溫彎曲達(dá)到210MPa以上，1000°C有氧環(huán)境保溫5min 條件下仍可達(dá)到50MPa，可用于大射程、高超音速(10 12Ma)的新型地地常規(guī)導(dǎo)彈或高超音速巡航導(dǎo)彈用彈體、機(jī)翼大面積防熱層制備，以及長(zhǎng)航時(shí)高馬赫武器系統(tǒng)的大面積防熱結(jié)構(gòu)材料的制備，而且，同現(xiàn)有的耐高溫碳化硅、石英復(fù)合陶瓷相比，本發(fā)明的復(fù)合材料成本僅為10%左右，具有極高的性價(jià)比。另外，還可將隔熱材料加裝在本發(fā)明復(fù)合材料中，實(shí)現(xiàn)防隔熱一體成型，應(yīng)用前景廣闊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例1制備某工程高超馬赫武器系統(tǒng)彈體用防熱層，其成型工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理使用故碳纖維布(其中K即“千”的符號(hào)，指的是紗束的碳纖維數(shù)量為1000，IK是1000根碳纖維原絲組成的紗束)，使用1 碳纖維；將碳纖維材料和碳纖維布放入重量百分比濃度為7%的酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬15min后取出，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至260°C固化，再在800°C的溫度下高溫?zé)Y(jié)熱處理60min形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鉻鋁的丙酮溶液和Al2O3粉末按質(zhì)量比2 1的比例混合均勻，控制其粘度在1. 2 1. 5Pa · S ；3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和碳纖維布表面，涂覆時(shí)控制磷酸鹽漿料與碳纖維材料/碳纖維布的重量比為2 1，使用刮刀將碳纖維材料和碳纖維布表面上的磷酸鹽漿料刮勻，室溫晾置池，形成碳纖維預(yù)混料， 在-5 0°C環(huán)境低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?)按照設(shè)計(jì)的彈體用防熱層的內(nèi)型腔尺寸加工制作型腔模具；5)采用鋪層方法將碳纖維布預(yù)混料手工鋪層在型腔模具表面上，使用刮刀搟平， 排除氣泡，重復(fù)多次，直至達(dá)到設(shè)定的厚度，鋪層時(shí)預(yù)留型腔模具底面不鋪覆；6)再將碳纖維預(yù)混料裝在數(shù)控纏繞機(jī)上，以8 ION的纏繞張力拉伸纏繞在型腔模具表面的碳纖維布預(yù)混料鋪層表面，纏繞3層；7)然后將產(chǎn)品連同型腔模具放入真空干燥箱中，在-50 真空環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固化，隨爐升溫固化lh，控制固化溫度為150°C ；8)固化完畢后，隨爐降溫至室溫卸模，對(duì)產(chǎn)品外表面機(jī)械加工，達(dá)到尺寸要求即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型彈體用防熱層。實(shí)施例2制備某工程C 200彈體外防熱層，其成型工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理使用故碳纖維布，將碳纖維布放入重量百分比濃度為 7%的酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬IOmin后取出，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至260°C固化，再在120(TC的溫度下高溫?zé)Y(jié)熱處理20min形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鉻鋁或磷酸鋁或磷酸鉻的丙酮溶液和Al2O3粉末按質(zhì)量比1 1的比例混合均勻，控制其粘度在1.0 1.2Pa· S;3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維布表面，涂覆時(shí)控制磷酸鹽漿料與碳纖維布的重量比為3 1，使用刮刀將碳纖維布表面上的磷酸鹽漿料刮勻，室溫晾置2h，形成碳纖維布預(yù)混料，在0 5°C環(huán)境低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?)按照設(shè)計(jì)的彈體外防熱層的內(nèi)型腔尺寸加工制作型腔模具；5)采用鋪層方法將一部分碳纖維布預(yù)混料手工鋪層在型腔模具表面上，使用刮刀搟平，排除氣泡，重復(fù)多次，直至達(dá)到設(shè)定的厚度，鋪層時(shí)預(yù)留型腔模具底面不鋪覆；
6)再將另一部分碳纖維布預(yù)混料裝在數(shù)控纏繞機(jī)上，以10 12N的纏繞張力拉伸纏繞在型腔模具表面的碳纖維布預(yù)混料鋪層表面，纏繞2層；7)然后將產(chǎn)品連同型腔模具放入真空干燥箱中，在-50 真空環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固化，隨爐升溫固化池，控制固化溫度為180°C ；8)固化完畢后，隨爐降溫至室溫卸模，對(duì)產(chǎn)品外表面機(jī)械加工，達(dá)到尺寸要求即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型彈體外防熱層。實(shí)施例3制備某機(jī)翼用防熱層，成型工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理使用3k碳纖維布(平紋，0. 2mm厚)，使用6K碳纖維；將碳纖維材料和碳纖維布放入重量百分比濃度為6%的酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬iaiiin后取出，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至260固化，再在1000的溫度下高溫?zé)Y(jié)熱處理30min 形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鋁的丙酮溶液和Al2O3粉末按質(zhì)量比1. 5 1的比例混合均勻，控制其粘度在1. 2 1. 5Pa · S ；3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和碳纖維布表面，涂覆時(shí)控制磷酸鹽漿料與碳纖維材料或碳纖維布的重量比為2. 5 1，使用刮刀將碳纖維材料和碳纖維布表面上的磷酸鹽漿料刮勻，室溫晾置2h，形成碳纖維預(yù)混料，在 5 10°C環(huán)境低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?)按照設(shè)計(jì)的機(jī)翼用防熱層的內(nèi)型腔尺寸加工制作型腔模具；5)采用鋪層方法將碳纖維布預(yù)混料手工鋪層在型腔模具表面上，使用刮刀搟平， 排除氣泡，重復(fù)多次，直至達(dá)到設(shè)定的厚度，鋪層時(shí)預(yù)留型腔模具底面不鋪覆；6)再將碳纖維預(yù)混料裝在數(shù)控纏繞機(jī)上，以12 15N的纏繞張力拉伸纏繞在型腔模具表面的碳纖維布預(yù)混料鋪層表面，纏繞3層；7)然后將產(chǎn)品連同型腔模具放入真空干燥箱中，在-50 真空環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固化，隨爐升溫固化池，控制固化溫度為200°C ；8)固化完畢后，隨爐降溫至室溫卸模，對(duì)產(chǎn)品外表面機(jī)械加工，達(dá)到尺寸要求即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型機(jī)翼用防熱層。實(shí)施例4制備某緩沖器內(nèi)燒蝕層用防熱層，成型工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理使用故碳纖維布(平紋，0.2mm厚)，使用1 (碳纖維； 將碳纖維材料和碳纖維布放入重量百分比濃度為7%的酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬IOmin 后取出，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至260°C固化，再在1200°C的溫度下高溫?zé)Y(jié)熱處理 40min形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鉻的丙酮溶液和Al2O3粉末按質(zhì)量比2 1的比例混合均勻，控制其粘度在1. 0 1. 2Pa · S ；3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和碳纖維布表面，涂覆時(shí)控制磷酸鹽漿料與碳纖維材料或碳纖維布的重量比為2 1，使用刮刀將碳纖維材料和碳纖維布表面上的磷酸鹽漿料刮勻，室溫晾置池，形成碳纖維預(yù)混料， 在-5 0°C環(huán)境低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?br> 4)按照設(shè)計(jì)的緩沖器內(nèi)燒蝕層用防熱層的內(nèi)型腔尺寸加工制作型腔模具；5)采用鋪層方法將碳纖維布預(yù)混料手工鋪層在型腔模具表面上，使用刮刀搟平， 排除氣泡，重復(fù)多次，直至達(dá)到設(shè)定的厚度，鋪層時(shí)預(yù)留型腔模具底面不鋪覆；6)再將碳纖維預(yù)混料裝在數(shù)控纏繞機(jī)上，以10 12N的纏繞張力拉伸纏繞在型腔模具表面的碳纖維布預(yù)混料鋪層表面，纏繞2層；7)然后將產(chǎn)品連同型腔模具放入真空干燥箱中，在-50 真空環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固化，隨爐升溫固化池，控制固化溫度為180°C ；8)固化完畢后，隨爐降溫至室溫卸模，對(duì)產(chǎn)品外表面機(jī)械加工，達(dá)到尺寸要求即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型緩沖器內(nèi)燒蝕層用防熱層。分別對(duì)使用上述四個(gè)實(shí)施例的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝制得的產(chǎn)品隨爐試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，所得結(jié)果如下
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于該工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理將碳纖維材料和/或碳纖維織物放入酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液中浸漬10 15min后取出，然后固化，再高溫?zé)Y(jié)，形成抗氧化涂層；2)配制磷酸鹽漿料取磷酸鹽溶液和固化劑按質(zhì)量比1 2 1的比例混合均勻，控制其粘度在1. 0 1. 5Pa *S，其中，所述磷酸鹽溶液為磷酸鉻鋁或磷酸鋁或磷酸鉻的丙酮溶液，所述固化劑為Al2O3粉末；3)涂覆將所配制的磷酸鹽漿料均勻涂覆在經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和/或碳纖維織物表面，形成碳纖維預(yù)混料，低溫儲(chǔ)存；4)制作產(chǎn)品型腔模具；5)采用鋪層方法將一部分碳纖維預(yù)混料鋪放在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；6)再將其余的碳纖維預(yù)混料拉伸纏繞在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；7)然后在真空環(huán)境下對(duì)型腔模具進(jìn)行固化，控制固化溫度為150 200°C，固化時(shí)間為1 汕；8)固化完畢后，卸模，即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于所述步驟1)中，酚醛樹(shù)脂的丙酮溶液的重量百分比濃度為5 7%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于所述步驟1)中，高溫?zé)Y(jié)是在800 1200°C的溫度下熱處理20 60min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于 所述步驟幻中，磷酸鹽漿料與經(jīng)抗氧化預(yù)處理的碳纖維材料和/或碳纖維織物的重量比為 2 3 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于 所述步驟3)中，低溫儲(chǔ)存的溫度為-5 10°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于 所述步驟6)中，以8 15N的纏繞張力將碳纖維預(yù)混料纏繞在型腔模具上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于 所述步驟7)中，真空環(huán)境的真空度控制在_50Pa。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，其特征在于所述步驟7)中，真空環(huán)境的真空度控制在_50Pa，固化溫度控制在150 180°C。
全文摘要
一種碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料成型工藝，該工藝包括如下步驟1)碳纖維抗氧化預(yù)處理；2)配制磷酸鹽漿料；3)涂覆；4)制作產(chǎn)品型腔模具；5)采用鋪層方法將一部分碳纖維預(yù)混料鋪放在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；6)再將其余的碳纖維預(yù)混料拉伸纏繞在型腔模具上，直至設(shè)定的厚度；7)然后在真空環(huán)境下對(duì)型腔模具進(jìn)行固化，控制固化溫度為150～200℃，固化時(shí)間為1～3h；8)固化完畢后，卸模，即可獲得碳纖維增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料的成型產(chǎn)品。該成型工藝操作簡(jiǎn)單、成本低廉，所制得產(chǎn)品具有耐高溫、抗燒蝕、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/80GK102424574SQ20111025423
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者佘平江, 余天雄, 巍虹, 張志斌, 霍文靜 申請(qǐng)人:湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司