[发明专利]三维纤维预制件增强氧化铝复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种三维纤维预制件增强氧化铝复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝(Al₂O₃)陶瓷作为最稳定的氧化物陶瓷之一，具有硬度大、强度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、高绝缘性和生物相容性等特点，以其发展早、成本低、性能好的优势，在国防军工、航空航天、冶金、电子、医疗等领域已成为应用最广的陶瓷材料之一。

然而，面向冲击防护、高温热防护等领域的应用需求，Al₂O₃陶瓷的力学性能仍有不足，其弯曲强度一般为300MPa～500MPa，且受原料纯度、烧结致密度、晶相组成的影响较大，尤其是断裂韧性偏低，只有3MPa·m^1/2～5MPa·m^1/2，这在具有很大热、力冲击的航空航天发动机、高速飞行器热防护系统、坦克装甲中是无法应用的。因此，通过各种方式补强增韧的Al₂O₃复合材料研究得到了高度关注和深入研究。

目前，在各种补强增韧方式中，利用纤维作为第二相来补强增韧被认为是最有效的。一方面，在纤维增强Al₂O₃复合材料中，Al₂O₃基体的主要作用是把外加载荷传递给纤维，由纤维承担大部分载荷，因此Al₂O₃基体的强度对其纯度、致密度、晶相组成的依赖性相对较低；另一方面，由于纤维的引入，Al₂O₃陶瓷复合材料中具备了纤维断裂、桥联、拔出、界面脱粘等裂纹偏转和能量耗散机制，能够显著提高Al₂O₃陶瓷的断裂韧性。

对于纤维增强Al₂O₃复合材料而言，按照纤维在复合材料中的排布方式，可以分为一维、二维、三维预制件增强Al₂O₃复合材料。一维复合材料是指将纤维束通过Al₂O₃浆料后(浆料中有粘接剂将Al₂O₃粘附在纤维上)缠绕成无纬布，再将无纬布按不同方向、不同角度铺层，或者直接按不同方向、不同角度缠绕成所需形状，然后经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。二维复合材料是指通过涂刷、浸涂Al₂O₃浆料等方式在纤维布表面粘附上Al₂O₃基体，将纤维布叠层后，经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。三维复合材料是指先将纤维制作成三维立体的预制件，然后通过气相法、液相法等手段将Al₂O₃基体引入预制件中所得到的复合材料。

相比较而言，三维复合材料的整体性较优(一维和二维复合材料的面内、层间性能较弱)，纤维含量与排布方向性的可设计性强，更加适用于复杂形状构件的制备。然而，由于预制件结构的不同，三维复合材料的致密化难以照搬一维、二维复合材料的制备工艺。针对三维预制件的结构特点，常采用两种致密化方法：一是将预制件加热到所需温度后，通入气态原料，原料扩散至预制件中在高温作用下反应沉积得到Al₂O₃基体，随着沉积时间延长，预制件中孔隙逐渐被Al₂O₃填充，致密度不断增加，称之为气相法；二是将预制件浸渍液态原料后，干燥去除溶剂，然后在高温下热处理得到Al₂O₃基体，重复“浸渍－干燥－热处理”若干个周期，预制件中孔隙逐渐被Al₂O₃填充，致密度不断增加，称之为液相法。相比之下，液相法对设备的要求低，对复合时设备中的温度场、化学场不敏感，在复杂形状和批量构件制备时的优势更加明显，而且目前适合用于沉积Al₂O₃的气态原料太少，沉积特性也不够理想，液态原料则来源广泛，性能可靠。