纤维增强陶瓷基复合材料天线罩/窗的制备方法和装置与流程

1.本发明涉及一种纤维增强陶瓷基复合材料天线罩/窗的制备方法和装置。


背景技术：

2.耐高温透波材料是一类广泛用于导弹、空天飞机、运载火箭和可重复使用飞行器上的多功能介质材料，其主要用于制造各种飞行器上的天线罩和天线窗等结构件，作用是实现电磁波高效传输和有效通讯的同时，保护内部制导系统，是集“透波
‑
承载
‑
防热”于一体的构件。
3.飞行器在高速飞行时，气动热引起的温度升高大致与飞行速度的平方成正比，所以速度在4ma以上的飞行器的天线罩/窗一般采用单相陶瓷或纤维增强陶瓷基复合材料(continuous fibers reinforced ceramic matrix composites,cfrcmcs)来制备。纤维的加入对陶瓷基体起到了明显的增韧作用，使cfrcmcs制造的天线罩/窗能承受更高的热力联合载荷状态，而且还改善了产品的加工性，降低了大尺寸构件成型难度。
4.在现有技术中，透波cfcmcs主要由透波陶瓷纤维和透波陶瓷基体构成。其中，透波陶瓷纤维主要包括：石英纤维(sio
2f
)，氮化硼纤维(bn
f
)，氮化硅纤维(si3n
4f
)，氧化铝纤维(al2o
3f
)，硅硼氮纤维(sibn
f
)，硅氮氧纤维(sino
f
)，等。透波陶瓷基体主要包括：石英(sio2)，氮化硼(bn)，氮化硅(si3n4)，氧化铝(al2o3)，硅硼氮纤维(sibn)，等。当前，以氧化物陶瓷sio2或al2o3作为基体的透波cfcmcs被广泛应用和研究，复合材料体系主要包括：石英纤维增强石英(sio
2f
/sio2)、石英纤维增强氧化铝(sio
2f
/al2o3)、石英纤维增强氮化物和石英陶瓷(sio
2f
/(sio2 bn))，氮化物纤维增强石英基复材(如，si3n
4f
/sio2，bn
f
/sio2,sino
f
/sio2，等)。氧化物陶瓷基体一般是由相应的氧化物溶胶经过“干燥
‑
凝胶化
‑
高温烧结”转化而来。进而以上氧化物陶瓷基复合材料天线罩/窗的制造过程一般包括以下工艺环节：(1)纤维预制件的成型；(2)纤维预制件的脱胶；(3)利用包含基体陶瓷组元的溶胶(硅溶胶、铝溶胶，等)对纤维预制件进行真空/压力浸渍；(4)溶胶的干燥
‑
凝胶化；(5)高温烧结，以及步骤(3)～(5)的重复循环以实现致密化。
5.经过大量研究，cfrcmcs为获得较高的强度和断裂韧性，要保证复材中纤维体积分数在30％～50％之间。采用不同纤维预制件成型方式(如，2d叠层、2.5d编织、3d编织、针刺缝合，等)不能完全控制纤维体积分数，并且在纤维除胶工艺步骤后，预制件会变松散，无法保持原有预制件的纤维体积分数。同时，在溶胶的干燥
‑
凝胶化时，存在溶剂蒸发和反应放出低分子产物的过程，这些都会导致预制件体积膨胀，相应纤维体积分数降低。为解决此问题，现有工艺一般采取加工内、外仿形模具，将浸渍溶胶或前驱体后的预制件放入内、外仿形模具间，然后通过紧固螺栓进行加紧，此时预制件会受到压缩而成型。在紧固螺栓旋紧的过程中，内、外仿形模具对预制件施加单向力。对于天线罩/窗这样的曲面结构或复杂形状，单向力无法保证各位置曲面法线方向所受压力均衡，并且纤维布层间还会受到明显的剪切力作用。不均匀的成型压力会造成产品上不同位置的体积分数和密度不均匀，进而导致产品力学、物理和电性能不均匀等问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种纤维增强陶瓷基复合材料天线罩/窗的制备方法和装置。
7.为实现上述发明目的，本发明提供一种纤维增强的陶瓷基复合材料天线罩/窗的制备方法，包括：
8.s1.将脱胶后的纤维预制件放置在仿形模具上,以软质膜和所述仿形模具构建用于容纳所述纤维预制件的密封空腔,并对所述密封空腔连接用于输送溶胶的溶胶单元和用于对所述密封空腔抽真空并保持的抽真空单元；
9.s2.对所述密封空腔抽真空且同时对所述仿形模具加热，以排除所述密封空腔内和所述纤维预制件所吸附的空气和水分；其中，真空度小于等于6
×
10
‑2mpa；
10.s3.向抽真空后的所述密封空腔灌入溶胶对所述纤维预制件进行真空浸渍；
11.s4.在所述软质膜的外侧覆盖呈粉状固体的压力传导介质,对所述压力传导介质施加压力,将所述纤维预制件压靠在所述仿形模具上；
12.s5.对所述纤维预制件进行真空下的干燥
‑
凝胶化处理；
13.s6.重复执行步骤s3至s5，以使所述纤维预制件增重达到50％以上，并取下所述纤维预制件；
14.s7.将取下的所述纤维预制件放入马弗炉中，在800℃烧结1h，获得半致密的复材制品；
15.s8.在不需要模具的条件下，对半致密的所述复材制品进一步致密化，即执行“溶胶浸渍
‑
干燥
‑
凝胶化
‑
烧结”循环，直至密度达到设计要求并获得成品。
16.根据本发明的一个方面，步骤s1中，将脱胶后的纤维预制件放置在仿形模具上,以软质膜和所述仿形模具构建用于容纳所述纤维预制件的密封空腔,并对所述密封空腔连接用于输送溶胶的溶胶单元和用于对所述密封空腔抽真空并保持的抽真空单元的步骤中，包括：
17.s11.所述纤维预制件可由透波陶瓷纤维采用2d叠层、2.5d编织、3d编织、针刺缝合等的至少一种方式制作，并对所述纤维预制件进行脱胶处理；
18.s12.将所述纤维预制件放置在与其形状相适配的所述仿形模具上，并在所述纤维预制件上铺设一层导流网。仿形模具是根据纤维预制件的形状尺寸预先进行设计制作的，相应采取不同的施压方式。对于尺寸较大的回转体制品，采用外仿形模具，从内壁向外施压的方式，对于尺寸较小的不规则形状制品，采用内仿形模具，从外壁向内施压的方式。
19.通过上述设置，根据产品的不同尺寸选择性的设置不同施压方式，以实现灵活制备不同尺寸产品的需要，极大的提高了本发明的使用灵活性，并利于保证不同尺寸产品成型后的质量。
20.s13.在导流网上铺设一层软质膜，并将软质膜的边缘与仿形模具通过高温密封胶进行粘接构成密封空腔。其中，所述软质膜为一种耐高温的真空袋膜，其耐受温度的范围为200℃～350℃；
21.s14.将溶胶单元和抽真空单元连接到密封空腔上，连接处用高温密封胶密封，保证空腔的密封性。溶胶单元和抽真空单元的连接位置设置在纤维预制件的相对远端，可有效保证纤维预制件在浸渍溶胶过程中的浸渍效果，对提高本发明的产品质量有利；
22.根据本发明的一个方面，步骤s2中，对所述密封空腔抽真空至真空度小于等于6
×
10
‑2mpa，同时对所述仿形模具加热，以排除所述密封空腔内和所述纤维预制件所吸附的空气和水分的步骤中，包括：
23.s21.关闭所述溶胶单元上的输送截止阀；
24.s22.打开所述真空单元的真空截止阀和真空泵，对所述密封空腔进行抽真空，当腔内真空度达到小于等于6
×
10
‑2mpa时，同时对整个所述仿形模具加热，当温度达到第一预设温度后，保持第一预设时间后停止加热。
25.根据本发明的一个方面，步骤s3中，向抽真空后的所述密封空腔灌入溶胶并对所述纤维预制件进行真空浸渍的步骤中，当所述模具整体冷却到室温后，向所述密封真空空腔灌入溶胶并进行浸渍，其包括：
26.s31.打开所述溶胶单元上的输送截止阀，溶胶在负压作用下灌入密封空腔；
27.s32.所述抽真空单元对所述密封空腔保持负压状态，以用于对所述纤维预制件进行持续浸渍；
28.s33.当所述抽真空单元有溶胶流出后，关闭所述输送截止阀和所述抽真空单元中的真空截止阀，保持所述密封空腔内真空状态至第二预设时间后，完成溶胶对所述纤维预制件的浸渍。
29.根据本发明的一个方面，步骤s4中，在所述软质膜的外侧覆盖呈粉状固体的压力传导介质,对所述压力传导介质施加压力的步骤中，所述压力传导介质为颗粒尺寸在5000目以下的氧化物陶瓷粉体，即平均粒径≤2.6μm；压力传导介质铺设在软质膜上并将整个仿形模具填满。所述压力传导介质可采用石英粉体或氧化铝粉体。所述对压力传导介质施加压力的过程中，所施加的压力满足：0.2mpa～5mpa。
30.根据本发明的一个方面，步骤s5中，对所述纤维预制件进行真空下的干燥
‑
凝胶化处理的步骤中，包括：
31.s51.保持对所述纤维预制件的压力不变，打开所述抽真空单元中的真空截止阀和真空泵，并对所述仿形模具进行加热；
32.s52.将所述纤维预制件加热至第二预设温度，并以第三预设时间进行持续保温，完成对所述纤维预制件的干燥
‑
凝胶化处理；
33.s53.停止对所述仿形模具的加热，依次关闭所述抽真空单元的真空截止阀和真空泵；
34.s54.当所述纤维预制件温度降至室温后，卸载施加在所述压力传导介质上的压力。
35.根据本发明的一个方面，步骤s22中，所述第一预设温度为80℃～150℃，所述第一预设时间为1h～3h；
36.步骤s33中，所述第二预设时间为1h～12h；
37.步骤s52中，所述第二预设温度为150℃～350℃，所述第三预设时间为2h～10h。
38.根据本发明的一个方面，步骤s6中，重复执行步骤s3至s5，3至5个循环，以使所述纤维预制件增重达到50％以上，则破除真空环境，拆除软质膜，将干燥
‑
凝胶化处理后的纤维预制件取出。将预制件放入马弗炉进行烧结，获得半致密的复合材料制品。
39.根据本发明，本方案经过在伪等静压下执行的“浸渍
‑
干燥
‑
凝胶化”多次循化，使
得纤维预制件中已填充了相当量的基体。烧结后获得的半致密的复合材料制品具有一定强度，其在后续进一步的致密化过程中不膨胀，可保持体积不变，从而使最终复材制品中纤维体积分数可达到设计值。并且，后续的致密化循化过程中，无需将半致密复合材料放入内、外仿形模具、真空袋中，也无需加压，使制备过程中的操作更为方便简单。
40.根据本发明的一个方面，在步骤s8中，在不需要模具的条件下，继续对即半致密的复材制品进行致密化过程，即“溶胶浸渍
‑
干燥
‑
凝胶化
‑
烧结”循环，直至复材制品的密度达到设计要求并获得成品，其具体包括以下步骤：
41.s81.将步骤s7中获取的半致密的复材制品直接放入到真空浸渍罐中，抽真空，浸渍溶胶并保持一定时间；
42.s82.将所述复材制品取出沥干，并放入真空干燥箱中干燥；
43.s83.将干燥后的所述复材制品放入到马弗炉中进行烧结；
44.s84.重复步骤s81至s83，直至经过处理后的所述复材制品的密度达到设计要求获得最终的成品。
45.在本实施方式中，步骤s8中，成品各位置的密度波动小于
±
0.02g/cm3，纤维体积分数波动小于
±
0.2％。
46.为实现上述发明目的，本发明提供一种用于前述的制备方法的装置，包括：仿形模具11，软质膜12，导流网13、加压装置14，压力传导介质15，溶胶单元16和抽真空单元17；
47.所述仿形模具11具有用于安装与纤维预制件的仿形腔111，且仿形腔111可与纤维预制件的外表面或内表面相抵靠；
48.所述仿形模具11的外侧面上设置有加热单元112，以及用于测温的热电偶113；其中，所述加热单元112包括加热部件和保温夹套，加热部件为铺设在仿形模具11外壁上的加热电阻丝或加热棒，保温夹套则缠绕在加热部件的外侧，用于保温；
49.所述保温夹套包括：与加热部件直接接触的保温棉和缠绕在保温棉外部的玻璃保温带；
50.所述软质膜12用于与仿形模具11构建用于容纳纤维预制件的密封空腔；其中，软质膜12为耐温200℃～350℃的真空袋膜；
51.所述溶胶单元16与密封空腔相连接并用于输送溶胶；
52.所述抽真空单元17与密封空腔相连接用于抽真空并保持。
53.针对不同尺寸和形状的制品，采取不同的施压方式，其中，对于尺寸较大的回转体制品，采用外仿形模具，从内壁向外施压的方式；对于尺寸较小的不规则形状制品，采用内仿形模具，从外壁向内施压的方式。
54.根据本发明的一个方面，所述溶胶单元16和所述抽真空单元17分别与所述仿形模具11相连接的位置处于仿形腔111的相对远端；
55.所述溶胶单元16包括：第一输送管路161，以及与第一输送管路161相连接的溶胶罐162；
56.第一输送管路161上设置有输送截止阀1611；
57.所述抽真空单元17包括：第一管路171，与第一管路171相连接的储液罐172，与储液罐172相连接的第二管路173，以及与第二管路173相连接的真空泵174；
58.第二管路173上设置有真空截止阀1731；
59.真空泵174上设置有真空表1741。
60.根据本发明的一种方案，可实现cfrcmcs天线罩/窗的近净成型，且产品上各位置处的纤维体积分数和复材密度均匀，从而保证天线罩/窗产品的力学、物理和电性能均匀。
61.根据本发明的一种方案，以粒径在5000目以下的氧化物陶瓷粉体为力传递介质，实现对纤维预制件各部位施加均匀压力，从而有效保证了纤维增强的陶瓷基复合材料制品各位置的纤维体积分数和密度均匀。
62.根据本发明的一种方案，本发明的方案可通过在0.2mpa～5mpa的范围内灵活调节压力，进一步实现了复合材料中纤维体积分数在30％～50％间可灵活调整。
63.根据本发明的一种方案，本发明方案工艺简单，减少了多余模具的制造，不仅有效提高了产品各位置上密度和纤维体积分数的均匀性，还可适用于不同种类的纤维增强氧化物陶瓷基产品的生产制造，适用范围广。
64.根据本发明的一种方案，方案对多种成型方式所制备的纤维预制体(例如，2d叠层、2.5d编织、叠层针刺缝合、3d编织等)均具有广泛的适用性，适用范围广。
65.根据本发明的一种方案，本方案以超细粉体作为压力传递介质，使形状复杂的天线罩/窗上各位置曲面法线方向上获得均匀的相等的正压力，提高了制品上各位置的密度和纤维体积分数均匀性。并且，可通过改变施加的压力，实现对所得复合材料制品尺寸的调控，从而也对纤维体积分数实现量化调控。
66.根据本发明的一种方案，本方案有效减少了模具制造量，简化了复合过程中的操作，缩短复合周期，降低了生产制备成本。
附图说明
67.图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的制备方法的步骤框图；
68.图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的纤维预制件与仿形模具的安装结构图；
69.图3是示意性表示根据本发明的另一种实施方式的纤维预制件与仿形模具的安装结构图；
70.图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的纤维预制件的受力图；
71.图5是示意性表示根据本发明的另一种实施方式的纤维预制件的受力图；
72.图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的尺寸较大的回转体制品的截面图；
73.图7是示意性表示根据本发明的另一种实施方式的尺寸较小的不规则形状制品的截面图。
具体实施方式
74.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
75.实施例1
76.参见图1、图2、图4、图6，在本实施方式中，以一种石英纤维增强石英基天线罩(sio
2f
/sio2)为例进行说明，其结构参见图6所示。该天线罩以穿刺缝合制备的a型石英纤维
预制体为增强体，针脚密度为10
×
10。通过硅溶胶作为复合基体的原料，制得天线罩的密度为1.65g/cm3,石英纤维体积分数为40％。
77.本实施例的复合材料天线罩通过以下步骤制备得到：
78.a1.制备纤维预制件，并对所述纤维预制件进行脱胶处理。在本实施方式中，纤维预制件采用针刺缝合的方式制作，以及采用丙酮进行脱胶处理。其中，将预制体置于丙酮中浸泡，每次浸泡时间为10h，然后在烘箱内100℃进行烘干2h，重复“浸泡
‑
烘干”3次，每次浸泡更换新的丙酮；
79.a2.基于该天线罩的尺寸可获知其为尺寸较大的回转体，进而根据天线罩的图纸制造外仿形模具；
80.a3.将脱胶后的纤维预制体放在仿形模具中，在纤维预制件上铺上一层导流网；
81.a4.再铺上一层耐高温的软质膜，并用密封胶将软质膜粘在仿形模具上构成密封空腔。在本实施方式中，在构建密封空腔的过程中，还将溶胶单元和抽真空单元均连接至密封空腔。其中，溶胶单元和抽真空单元与密封空腔的连接位置分布于预制纤维件的相对远端；
82.a5.关闭溶胶单元上的输送截止阀；
83.a6.依次打开真空泵、真空截止阀对密封空腔进行抽真空。当腔内真空度达到小于等于6
×
10
‑2mpa时，同时开启加热，当温度达到100℃，开始计时，保持边抽真空边加热1h后停止加热；
84.a7.保持抽真空的状态使纤维预制件进行自然冷却，当温度降低到30℃以下时，打开溶胶单元上的输送截止阀，硅溶胶在负压的作用下进入密封空腔内，并浸渍到纤维预制件中；
85.持续真空浸渍3h，并观察在抽真空单元有溶胶流出后，关闭输送截止阀和抽真空单元中的真空截止阀，完成浸渍；
86.a8.将5000目的石英粉(即压力传导介质)铺覆在软质膜之上并将仿形模具填满，并对石英粉施加1mpa的压力；
87.a9：保持施加在石英粉上的压力不变，打开抽真空单元中的真空截止阀，开启加热，当温度达到200℃，开始计时，保温8h，即完成真空条件下的干燥
‑
凝胶化；
88.a10.停止加热，依次关闭真空截止阀和真空泵，预制件和模具一起自然降至室温；
89.a11.待降至室温后，卸载施加在石英粉上的压力；
90.a12.重复a7～a11步骤5个循环，相对初始纤维预制件的质量已增重58.3％。破除真空，拆除软质膜，将干燥
‑
凝胶化处理后的纤维预制件取出；
91.a13.将纤维预制件放入马弗炉中，于800℃烧结1h，降温后获得半致密的复材制品；
92.a14.对半致密的复材制品进一步致密化，无需模具，可直接把复材制品放入真空浸渍罐中，抽真空浸渍硅溶胶2h；
93.a15.将复材制品取出沥干，并放入真空干燥箱干燥，在250℃的环境下真空干燥2h；
94.a16.将干燥后的半致密复材制品放入到马弗炉中，在800℃烧结1h。
95.a17.重复步骤a14至a16，直至经过处理后的复材制品的密度达到1.65g/cm3即获
得最终的成品。
96.对上述步骤所制得的天线罩进行取样，其中，沿母线方向对所得sio
2f
/sio2天线罩进行取样，等间距(100mm)截取高度均为10mm的环，任意环的密度均为(1.65
±
0.01)g/cm3。此外，按60
°
对每个环进行等分，每个部分的密度均为(1.65
±
0.01)g/cm3。由此可见，通过本发明所获得的成品的各位置的密度均匀性得到了有效保证，进而可以进一步保证了其介电常数的均匀性。此外，通过上述步骤所获得的天线罩任一圆周或母线方向上介电常数差值均满足：≤
±
0.02。由此，进一步证明本发明的方法可有效实现对复合材料制品每位置密度、纤维体积分数的均匀控制。
97.实施例2
98.参见图1、图3、图5、图7，在本实施方式中，以一种硅氮氧纤维增强石英基天线窗(sino
f
/sio2)为例进行说明，其结构参见图7所示。该天线窗以2.5d编织的sino纤维预制体为增强体。通过硅溶胶作为复合基体的原料，制得天线罩的密度为1.7g/cm3，硅氮氧纤维体积分数为45％。
99.本实施例的复合材料天线罩通过以下步骤制备得到：
100.a1.制备纤维预制件，并对所述纤维预制件进行脱胶处理。在本实施方式中，纤维预制件采用2.5d编织的方式制作，以及采用丙酮进行脱胶处理。将预制体置于丙酮中浸泡，每次浸泡时间为10h，然后在烘箱内100℃进行烘干2h，重复“浸泡
‑
烘干”3次，每次浸泡更换新的丙酮。
101.a2.基于该天线窗的尺寸可获知其为尺寸较小的复杂形状，进而根据图纸制造内仿形模具；
102.a3.将脱胶后的纤维预制体放在仿形模具中，在纤维预制件上铺上一层导流网；
103.a4.再铺上一层耐高温的软质膜，并用密封胶将软质膜粘在仿形模具上构成密封空腔。在本实施方式中，在构建密封空腔的过程中，还将溶胶单元和抽真空单元均连接至密封空腔。其中，溶胶单元和抽真空单元与密封空腔的连接位置分布于预制纤维件的相对远端；
104.a5.关闭溶胶单元上的输送截止阀；
105.a6.依次打开真空泵、真空截止阀对密封空腔进行抽真空。当腔内真空度达到小于等于6
×
10
‑2mpa时，同时开启加热，当温度达到150℃，开始计时，保持边抽真空边加热1h后停止加热；
106.a7.保持抽真空的状态使纤维预制件进行自然冷却，当温度降低到30℃以下时，打开溶胶单元上的输送截止阀，硅溶胶在负压的作用下进入密封空腔内，并浸渍到纤维预制件中；
107.持续真空浸渍1h，并观察有硅溶胶流入到收集罐中，关闭输送截止阀和抽真空单元中的真空截止阀，完成浸渍；
108.a8.将8000目的石英粉(即压力传导介质)铺覆在软质膜之上并将仿形模具填满，并对石英粉施加3mpa的压力；
109.a9：保持施加在石英粉上的压力不变，依次打开抽真空单元中的真空截止阀，开启加热，当温度达到250℃，开始计时，保温2h，即完成真空条件下的干燥
‑
凝胶化；
110.a10.停止加热，依次关闭真空截止阀和真空泵，预制件和模具一起自然降至室温；
111.a11.待降至室温后，卸载施加在石英粉上的压力；
112.a12.重复a7～a11步骤4个循环，相对初始纤维预制件的质量已增重52.6％。破除真空，拆除软质膜，将干燥
‑
凝胶化处理后的纤维预制件(即已浸有基体的半致密的复合材料制品)取出；
113.a13.将纤维预制件放入马弗炉中，于800℃烧结1h，降温后获得半致密的复材制品；
114.a14.对半致密的复材制品制品进一步致密化，无需模具，可直接把复材制品放入真空浸渍罐中，抽真空浸渍硅溶胶2h；
115.a15.将复材制品取出沥干，并放入真空干燥箱干燥，在250℃的环境下真空干燥2h；
116.a16.将干燥后的半致密复材制品放入到马弗炉中，在800℃烧结1h；
117.a17.重复步骤a14至a17，直至经过处理后的复材制品的密度达到达到1.70g/cm3即可获得最终的成品。
118.对上述步骤所制得的天线罩进行取样，其中，在所得sino
f
/sio2天线窗的边上，等间距(20mm)截取宽5mm的类似拱形样片，任意拱形样块的密度均为(1.70
±
0.008)g/cm3。由此，进一步证明本发明的方法可有效实现对复合材料制品各位置密度、纤维体积分数的均匀控制。
119.上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
120.以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。