[发明专利]纤维增强磷酸锌铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步，发动机工作效率不断提高，因此对材料热性能的要求不断升高，耐高温结构材料的研究工作越来越受到重视。磷酸盐类材料是在水泥、耐火材料和陶瓷基础上发展起来的一种重要耐高温材料，它聚集了三者的主要优点，具有耐高温、高强度、介电性能优异、抗氧化以及良好的结构可设计性、热膨胀系数小等特点，近年来受到了国内外的广泛关注。目前，广泛研究和使用的磷酸盐类材料主要有两大类：磷酸铝类材料和磷酸铬铝类材料。磷酸铝类材料不含有毒物质，但其成型需在500℃以上的高温下才能进行。磷酸铬铝类材料具有较为优异的性能，并且其加工的工艺性也较好，可在200℃以下固化，据文献报道这类材料已在俄罗斯的巡航导弹、反导、战术型号导弹及航天飞机上获得了应用。但是，磷酸铬铝类材料含有铬类物质，这是已被证实的含有高度致癌性的一类物质，欧盟在2006年出台的ROHS指令中，明确限制了铬的使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前磷酸铝类材料固化温度高，或磷酸铬铝类材料中铬有致癌性的问题，提供一种纤维增强磷酸锌铝基复合材料及其制备方法。

本发明的纤维增强磷酸锌铝基复合材料主要是由纤维增强材料和磷酸锌铝胶凝材料制成，其中纤维增强材料是经过热处理的；还可在纤维增强材料的表面增加保护涂层。

本发明中纤维增强磷酸锌铝基复合材料的制备方法是按下述步骤实现的：在200～600℃条件下，将纤维增强材料热处理10min～1h；然后按照模压成型工艺制备纤维增强磷酸锌铝基复合材料，模压成型工艺的工艺参数为：模压温度为85～300℃，模压压力为5～10MPa，模压时间为6～35小时。

与上述方法不同的是：纤维增强磷酸锌铝基复合材料的制备过程中在热处理纤维增强材料后，在超声频率为48±1.5KHz条件下超声浸渍10～30min；尔后在100～120℃条件下烘干1～3小时，即在纤维增强材料表面制得保护涂层；其它步骤与上述方法相同。采用超声涂敷工艺可以使涂层物质均匀地涂敷在每根纤维表面，消除纤维束间的涂敷差异，同时在超声波的作用下可以尽可能地强化纤维与涂层间的结合，使纤维本体性能得到一定程度的优化。

所述的纤维增强材料为高硅氧纤维、石英纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维中的一种；磷酸锌铝胶凝材料由磷酸锌铝溶液和无机填料制成，无机填料占磷酸锌铝溶液质量的5％～40％，磷酸锌铝溶液是由氧化锌、氢氧化铝、浓磷酸和去离子水制成；其中所述的氧化锌与氢氧化铝的摩尔比为1～10∶1，磷元素与金属元素总摩尔数的摩尔比为2～10∶1，磷酸锌铝溶液的固含量为25wt％～75wt％(重量份数)，无机填料的粒径为300～400目。无机填料为Al₂O₃、MgO、超细SiO₂、Na₂B₄O₇、ZrO₂、Bi₂O₃中的一种或几种混合组成；无机填料为混合物按质量份数比是由40～85份Al₂O₃、0.1～8份MgO、0.1～6.5份超细SiO₂、0.1～25份ZrO₂、0.1～5份Na₂B₄O₇、0.1～10份Bi₂O₃中的两种或两种以上组成。所述的保护涂层为硅烷偶联剂类涂层、无机纳米粒子溶胶涂层或有机硅树脂涂层。所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560、硅烷偶联剂A-151中的一种；无机纳米粒子溶胶为SiO₂溶胶、Al₂O₃溶胶、TiO₂溶胶中的一种；有机硅树脂为甲基硅树脂、苯基硅树脂中的一种。

本发明具有如下优点：

1、纤维增强磷酸锌铝基复合材料是一类新型复合材料体系，它克服了传统磷酸盐类材料的弊病，不含有毒物质且成型加工性好，它的成型加工可采用传统的树脂基复合材料的模压工艺，设备通用，易于实现工业化生产。

2、纤维增强磷酸锌铝基复合材料具有较高的耐热稳定性，采用德国耐驰公司的热分析设备，制品加热至600℃时失重率小于8％，室温下检测其弯曲强度可达70～140MPa。可作为耐高温结构材料和透波材料在150～200℃的环境下长期使用。