[发明专利]一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法

说明书

本发明属于陶瓷材料成型领域，具体涉及一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，包括以下步骤：(1)将短纤维和树脂采用溶剂蒸发法制备为短纤维树脂复合粉末；(2)将短纤维树脂复合粉末和长纤维混合后熔融挤出获得树脂基预浸料丝材；(3)通过机器人激光增材制造系统对树脂基预浸料丝材进行加工获得纤维增强素坯；(4)向纤维增强素坯中浸渗活性成分获得浸渗坯体；(5)将浸渗坯体进行热解碳化得到预制体；(6)将预制体进行硅反应熔渗，即可获得增强SiC复合材料。本发明采用机器人激光增材系统可以有效的成形任意复杂的结构，简化了连续纤维增强SiC复合材料的制备工艺。

技术领域

本发明属于陶瓷材料成型领域，具体涉及一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法。

背景技术

连续纤维增强SiC复合材料具有高强度、高韧性、低密度以及耐高温抗氧化的特点，在航空航天高温结构件上得到了广泛的应用。单相SiC陶瓷材料高强度、耐高温、耐磨损，但是脆性大，韧性差，一旦发生断裂会导致构件的灾难性损毁。为了加强SiC陶瓷材料，提高其断裂韧性，国内外学者通过加入颗粒、晶须、纤维等增强体进行增强增韧，其中连续纤维的增强效果最好。由于加入了连续纤维进行增韧，SiC陶瓷复合材料在断裂时具有类似金属的韧性断裂行为，大大提高了构件的脆性断裂风险，可应用于性能要求苛刻的关键构件。

目前主要通过模压成型、冲压成型、热压罐成型等技术制备纤维预制体，再通过反应烧结或气相浸渍得到连续纤维增强SiC复合材料。当前制备纤维预制体的工艺或者需要复杂的模具和工艺设计，且难以整体成型复杂构件，或者对设备要求较高，导致生产成本高，周期长，不利于产品的个性化定制。

增材制造技术为复杂结构纤维预制体的制备提供了新型的成形工艺,且可以实现低成本、短周期、定制化成形。目前通常采用熔融沉积成形(FDM)工艺来增材制备纤维预制体，但该成形工艺存在成形自由度低、层间结合差、沿Z方向拉伸强度低等局限性。此外,目前纤维预浸料通常只包含长纤维或短纤维，单一短纤维预浸料中碳纤维没有连接在一起，碳化过程中强度过低，不利于后续的渗硅工艺；而单一长纤维预浸料为了保障增材成形的顺利，纤维含量不宜过高，这将导致后续渗硅过程中碳源的不足。

CN109851362B公开了一种3D成型制备SiCf/SiC陶瓷复合材料的方法：一、混合粉末；二、参数设定；三、制备陶瓷坯体；四、固化；五、烧结；六、浸渍、裂解；七：重复步骤六操作，至裂解过程的质量增重小于1％为止，得到SiCf/SiC陶瓷复合材料。该技术方案使用了3D打印技术解决传统制备SiCf/SiC陶瓷材料构件时存在着难成型、难加工的问题，但在成形自由度和层间结合力方面还存在改进空间。

CN112976221A公开了连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及方法，具体公开了所述成型设备包括外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件，通过超声展丝浸渗装置连续纤维束在浸渗浆料中被展开和浸渗，浸渗浆料的纤维束和基础浆料经两进一出喷头挤出至加热板固化成丝束，按预设程序执行打印路径获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。该技术方案实现了陶瓷在纤维束内和束间充分填充、连续纤维/陶瓷丝束的自动铺放，但结构较为复杂，生产成本高，周期长，还存在改进空间。

综上所述，现有技术仍缺乏一种连续纤维增强的SiC复合材料的制备工艺。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，通过连续碳纤维液相氧化表面改性与超声悬浮液法制备长/短纤维复合预浸料，使其具备一定的力学强度的同时保障渗硅过程中具有足够的碳源；采用机器人激光增材系统可以有效的成形任意复杂的结构，并可以通过机器人空间路径的规划实现成形件的各向同性，制备长/短纤维预制体；最后通过反应烧结来制备与成形长/短纤维增强SiC复合材料。该发明方法一方面简化了连续纤维增强SiC复合材料的制备工艺，另一方面实现机器人激光增材制造一体化成形连续纤维增强SiC复杂结构构件。