用于復(fù)合材料的漿料的制作方法
【專利說明】用于復(fù)合材料的漿料
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 概括地講，本發(fā)明涉及復(fù)合材料制品及其生產(chǎn)方法。更具體地講，本發(fā)明涉及漿料 和帶組合物，該漿料和帶組合物適于在陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料（CMC)制品的生產(chǎn)中使用，且在 生產(chǎn)、使用和運(yùn)輸中更安全。
[0003] 為了提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，不斷地尋找用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的更高的操作 溫度。雖然已經(jīng)通過鐵、鎳和鈷基超合金的制劑實(shí)現(xiàn)了在高溫性能方面的重大進(jìn)步，但還是 研究了供選的材料。CMC材料是值得注意的實(shí)例，因?yàn)樗鼈兊母邷匦阅芸娠@著降低冷卻空氣 需求。CMC材料通常包含包埋在陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。該增強(qiáng)材料可為分 散在基質(zhì)材料中的不連續(xù)的短纖維或在基質(zhì)材料內(nèi)定向的連續(xù)纖維或纖維束，且在基體開 裂時(shí)充當(dāng)CMC的載荷承受成分。繼而，該陶瓷基質(zhì)保護(hù)該增強(qiáng)材料、維持其纖維的定向且用 來消散對該增強(qiáng)材料的荷載。作為基質(zhì)和/或增強(qiáng)材料的硅基復(fù)合材料例如碳化硅（SiC) 在高溫應(yīng)用中得到了特別的關(guān)注，高溫應(yīng)用例如包括飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和在發(fā)電工業(yè)中 使用的陸上型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件。
[0004]CMC材料且特別是SiC/Si-SiC(纖維/基質(zhì)）連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合（CFCC)材 料的實(shí)例和方法公開在美國專利5, 015, 540號、5, 330, 854號、5, 336, 350號、5, 628, 938 號、6, 024, 898號、6, 258, 737號、6, 403, 158號和6, 503, 441號及美國專利申請公開 2004/0067316號中。這些方法通常需要使用多個(gè)預(yù)浸漬層來制造CMCs，該多個(gè)預(yù)浸漬層各 自為"帶"的形式，該帶包括所需陶瓷纖維增強(qiáng)材料、一種或多種CMC基質(zhì)材料的前體和有 機(jī)樹脂粘合劑。根據(jù)常規(guī)實(shí)踐，預(yù)浸漬帶可通過用含有一種或多種陶瓷前體和粘合劑的漿 料浸漬該增強(qiáng)材料來形成。該前體的選擇取決于CMC部件的陶瓷基質(zhì)所需具體組成。例 如，如果所需基質(zhì)材料是SiC，則前體是SiC粉末和/或一種或多種含碳材料。值得注意的 含碳材料包括炭黑、酚醛樹脂、和呋喃樹脂，包括糠醇（C4H30CH20H)。其它典型的漿料成分包 括促進(jìn)預(yù)浸漬帶的柔性的有機(jī)粘合劑（例如，聚乙烯醇縮丁醛（PVB))，以及用于粘合劑的 溶劑（例如，甲苯和/或甲基異丁基酮（MIBK))，該溶劑促進(jìn)了漿料的流動(dòng)性，以確保纖維增 強(qiáng)材料的浸漬。該漿料可進(jìn)一步包含一種或多種有意在CMC部件的陶瓷基質(zhì)中存在的顆粒 填料，例如在Si-SiC基質(zhì)的情況下，該顆粒填料是硅和/或SiC粉末。
[0005] 在使?jié){料部分干燥并（若適宜）使粘合劑部分固化（B階段）之后，將得到的帶與 其它帶鋪疊，之后將其壓實(shí)并（若適宜）固化，同時(shí)經(jīng)受升高的壓力和溫度以生產(chǎn)預(yù)成型 體。然后在真空或惰性氣氛中加熱（燒制）該預(yù)成型體以分解粘合劑、去除溶劑，并將前體 轉(zhuǎn)化為所需陶瓷基質(zhì)材料。由于粘合劑的分解，得到的多孔CMC體可經(jīng)歷熔體浸滲（MI)以 填充孔隙并生成CMC部件。用于上述方法的具體加工技術(shù)和參數(shù)取決于材料的具體組成。
[0006]CFCC材料的一個(gè)實(shí)例示意性表示在圖1中，其包括多個(gè)薄層12,各薄層源于包含 用陶瓷基質(zhì)前體浸漬的單向?qū)?zhǔn)的增強(qiáng)材料14的各個(gè)預(yù)浸漬帶。結(jié)果，各薄層12含有嵌 入在燒制和熔體浸滲期間通過轉(zhuǎn)化陶瓷基質(zhì)前體完全或部分地形成的陶瓷基質(zhì)18中的增 強(qiáng)材料14。
[0007] 盡管上述類型的方法和材料已成功地用于生產(chǎn)用于燃?xì)廨啓C(jī)及其它應(yīng)用的CMC 部件，在這些方法中所用的漿料和預(yù)浸漬帶包含大量引起環(huán)境、健康和安全問題的溶劑。尤 其是，為了生成由于包含足夠量的溶劑、例如約10至約20重量％的溶劑而可加工的帶，傳 統(tǒng)漿料通常需要約50重量％或更多量的溶劑。典型的溶劑，包括甲苯和MIBK，是有毒的， 該漿料和帶的加工和處理有必要在受控的通風(fēng)區(qū)域。這些溶劑也是可燃的，當(dāng)運(yùn)輸時(shí)，該帶 必須被視為危險(xiǎn)貨物來處理。此外，在預(yù)成型體的燒制過程中的溶劑燒除導(dǎo)致尺寸變化，這 影響生產(chǎn)具有一致尺寸的CMC部件的能力。盡管這些缺點(diǎn)可以通過減小所用溶劑的量來解 決，但是結(jié)果是帶剛性過大而可能不能用于生產(chǎn)復(fù)合材料部件。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明提供了用于生產(chǎn)復(fù)合材料制品的組合物和方法，尤其是漿料和預(yù)浸漬帶組 合物，該漿料和預(yù)浸漬帶組合物加工、處理和運(yùn)輸更安全，且還能在生產(chǎn)復(fù)合材料制品的加 工過程中實(shí)現(xiàn)更好的尺寸一致性。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種漿料組合物，其包含：包含至少一種前體顆粒 的粉末、至少一種能將前體顆粒粘附在一起以形成帶的粘合劑、至少一種液體增塑劑和溶 解粘合劑的溶劑。所述溶劑具有充分的揮發(fā)性，以在帶的形成過程中從漿料組合物蒸發(fā)，使 得帶包含小于約10重量％的溶劑，而由于所述漿料組合物包含足夠量的液體增塑劑，所以 帶仍是柔性的。
[0011] 本發(fā)明的第二方面是不可燃的帶，該帶包含：纖維增強(qiáng)材料和基質(zhì)材料，所述基質(zhì) 材料包含：前體顆粒的粉末、一種或多種粘合劑、一種或多種液體增塑劑和小于約10%重 量％的一種或多種溶劑。由于包含足夠量的液體增塑劑，所以該帶是柔性的。
[0012] 本發(fā)明的另一個(gè)方面是一種使用漿料組合物以生產(chǎn)不可燃帶的方法。所述方法包 括：形成漿料組合物以包含：包含至少一種前體顆粒的粉末、至少一種粘合劑、至少一種液 體增塑劑和溶解粘合劑的溶劑。用所述漿料組合物浸漬纖維增強(qiáng)材料，以生產(chǎn)漿料浸漬增 強(qiáng)材料；和從所述漿料浸漬增強(qiáng)材料蒸發(fā)至少一部分溶劑以形成帶，在帶中，前體顆粒通過 由粘合劑形成的基質(zhì)材料粘附在一起。在帶形成過程中足夠量的溶劑蒸發(fā)導(dǎo)致帶是不可燃 的且包含少于約10重量％的溶劑，并且由于漿料組合物包含足夠量的液體增塑劑，所以帶 仍是柔性的。
[0013] 該帶隨后可進(jìn)一步用于形成預(yù)成型體，隨后加熱該預(yù)成型體以分解粘合劑和液體 增塑劑，將前體轉(zhuǎn)化為陶瓷材料，并由此形成用于陶瓷纖維增強(qiáng)材料的陶瓷基質(zhì)。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)效果是：由此生產(chǎn)的漿料組合物和預(yù)浸漬帶包含有限量的溶 劑，且?guī)跃哂凶銐蛉嵝?，以用于用來生產(chǎn)復(fù)合材料的鋪疊過程。合適的溶劑比在用于CMC 制品的預(yù)浸漬帶的生產(chǎn)中通常所用的溶劑毒性低，這使得無需通風(fēng)加工和處理漿料和帶， 且允許該帶作為不受管制的貨物運(yùn)輸。另一個(gè)技術(shù)效果是，由于在帶中的溶劑是有限量的， 由該帶形成的預(yù)成型體所生產(chǎn)的復(fù)合材料部件將經(jīng)歷明顯更小的收縮，減小尺寸變化，否 則該尺寸變化將影響生產(chǎn)具有一致尺寸的復(fù)合材料部件的能力。該漿料組合物和由其制 造的柔性預(yù)浸漬帶可以用于生產(chǎn)多種復(fù)合材料部件，包括但不限于燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣通道部 件。
[0015] 將從以下詳細(xì)說明來更好地理解本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。
[0016] 附圖簡述
[0017] 圖1不意性表不CMC制品的局部剖視圖。
[0018] 圖2示意性地表示能用于形成圖1的CMC制品的類型的預(yù)浸漬帶的局部剖視圖。
[0019] 發(fā)明詳述
[0020] 本發(fā)明就生產(chǎn)CMC制品、包括CFCC制品的方法進(jìn)行描述。本發(fā)明特別關(guān)注的CMC 材料是包含硅的CMC材料，例如含碳化硅作為增強(qiáng)和/或基質(zhì)材料的CMC材料，該CMC材料 的一個(gè)特定實(shí)例是在碳化硅基質(zhì)中的連續(xù)碳化硅纖維。然而，其它復(fù)合材料也在本發(fā)明的 范圍內(nèi)，包括陶瓷例如氮化硅和硅化物（金屬間化合物）例如硅化鈮和硅化鉬。盡管多種 應(yīng)用是可以預(yù)見的，可由本發(fā)明生產(chǎn)的CMC制品類型的具體應(yīng)用包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部 件，如燃燒器襯套、靜葉、動(dòng)葉、護(hù)罩和位于燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣通道中的其它部件。
[0021] 參照圖1和2進(jìn)行以下討論。先前提到圖1為CFCC部件10的代表，盡管其它類 型的CMC材料也在本發(fā)明范圍內(nèi)。作為CFCC材料，部件10可以提供用于各種高溫承載應(yīng) 用的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛性。示出的CFCC部件10包括多個(gè)薄層12,每個(gè)薄層源自單獨(dú)的預(yù) 浸漬帶。各薄層12含有嵌入通過轉(zhuǎn)化陶瓷基質(zhì)前體完全或部分地形成的陶瓷基質(zhì)18中的 增強(qiáng)材料14。
[0022] 如圖1和2所示，增強(qiáng)材料14可為絲束的單向陣列的形式，每個(gè)絲束包含連續(xù)纖 維（長絲）16。作為絲束的單向陣列的替代，增強(qiáng)材料14可包括排布以形成纖維的單向陣 列的纖維16。此外，增強(qiáng)材料14可包括織造以形成二維織物或例如通過編織形成的三維織 物的絲束。
[0023] 合適的纖維材料可取決于具體的應(yīng)用。CFCC材料的著名但非限制性的實(shí)例已由通 用電器公司研發(fā)，其名稱為HiPerComp?，且其包含在碳化硅和元素硅或硅合金的基質(zhì)中 的連續(xù)碳化硅纖維。合適的纖維尺寸、絲束尺寸和絲束中心至中心間隔將取決于具體的應(yīng) 用、具體的薄層12和形成該薄層的帶20的厚度及其它因素，且因此不由圖1或2中的比例 表不。
[0024] 圖2示意性表示可形成圖1中各薄層12的類型的預(yù)浸漬帶20。因此，帶20表示 為包含以陶瓷纖維16絲束的形式存在的增強(qiáng)材料14,其將作為部件10的增強(qiáng)相。增強(qiáng)材 料14在圖2中表示為嵌入固體基質(zhì)材料22內(nèi)，該固體基質(zhì)材料12特別是由一種或多種有 機(jī)粘合劑和一種或多種將形成部件10的陶瓷基質(zhì)18的陶瓷前體形成。形成基質(zhì)材料22， 做法是，向增強(qiáng)材料14施用漿料組合物，且隨后部分于燥該漿料組合物至允許帶20的處 理?？梢圆捎枚喾N技術(shù)向增強(qiáng)材料14施用漿料組合物，例如，當(dāng)絲束被卷繞到筒上時(shí)，將漿 料組合物通過直接施用至連續(xù)的絲束股。
[0025] 在卷繞操作之后，讓漿料組合物部分干燥，之后，可以從筒上移除所得的預(yù)浸漬帶 20,與其它帶鋪疊，并隨后在升高的壓力和溫度下壓實(shí)，以形成預(yù)成型體。隨后可在真空或 惰性氣氛中加熱預(yù)成型體以分解粘合劑并將陶瓷基質(zhì)前體轉(zhuǎn)化為CMC部件10的基質(zhì)18的 陶瓷材料。部件10可進(jìn)一步經(jīng)歷熔體浸滲，以填充由于在燒制過程中粘合劑分解從而在基 質(zhì)18中產(chǎn)生的孔隙。作為一個(gè)具體的實(shí)例，在SiC/Si-SiCCMC材料的生產(chǎn)中，可選擇粘合 劑以因?yàn)闊七^程形成碳焦，碳焦隨后在熔體浸滲過程中可與熔融硅或熔融硅合金反應(yīng)， 以形成額外的SiC基質(zhì)材料。用于上述方法的具體工藝技術(shù)及參數(shù)將取決于材料的具體組 成，且在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)，因此本文將不對此進(jìn)行詳細(xì)討論。
[0026] 用于漿料組合物的合適的陶瓷前體將取決于部件10的陶瓷基質(zhì)18的所需組成。 對于上述用于燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用中的Si-SiC基質(zhì)材料，合適的前體