一种连续SiC纤维增强金属基复合材料点阵结构的制备方法与流程

一种连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构的制备方法
技术领域
1.本发明属于材料制备技术领域,具体涉及一种连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构的制备方法。


背景技术：

2.点阵材料是一种具有规则孔形和孔穴周期排布的一类新型多孔材料，它与传统材料最大的不同之处在于其具有千变万化的有序微结构与高孔隙率，还具有轻质高强、高效散热、吸收电磁波及声音、抗爆炸冲击等优异的性能，在同等重量下比无序微结构的金属泡沫具有更好的力学性能，因此在很多领域都有很大的应用潜力，如航空航天、交通运输、武器装备、建筑等。点阵材料常用的材质有金属材料、陶瓷材料及碳纤维增强树脂基复合材料等。金属材料具有较好的成型性但无法在较高温度下使用，碳纤维增强树脂基复合材料同样受限于服役温度且其抗压缩性能较差，陶瓷材料虽可在高温下服役但成型性较差，尤其是“阵点”之间的连接。
3.因此，要满足较高温度使用且具有较好成型性的需求，需要利用好金属成型性好、陶瓷耐高温的特点，陶瓷/金属复合材料具有很好的设计空间，其中连续单丝sic纤维陶瓷纤维具有优良的室高温拉伸、压缩及剪切强度，适用于作为金属基复合材料的增强体，且其直径较大，可操作性好，便于成型，而钛合金的中高温性能也较为优异，成型性较好，与sic纤维具有好的化学相容性，因此连续sic纤维增强钛基复合材料点阵结构具有较好的应用潜力。目前制备连续sic纤维增强钛基复合材料点阵结构的工艺主要是通过设计先驱丝排布辅助模具，铺放先驱丝后真空热压成型。该方法是所需模具较为复杂，且每层先驱丝与其上下层相邻的先驱丝只有一个固定的相对角度。


技术实现要素：

4.为了克服制备连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构所需先驱丝铺放辅助模具复杂、先驱丝排布角度相对单一等缺点，本发明的目的在于提供一种可简化制备过程所需辅助模具，先驱丝排布角度可调、可变的sic纤维增强金属基复合材料点阵结构制备工艺。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于，制备过程按以下步骤进行：
7.步骤一、裁剪连续sic
f-金属先驱丝，得到由一组平行排布，间隔均匀的先驱丝组成的先驱丝带，具体地，可通过将连续sic
f-金属先驱丝缠绕在圆筒外侧，将先驱丝的相对间距进行固定后沿圆筒母线裁剪得到所述先驱丝带，这样可以提高均匀性及效率。相邻先驱丝之间的中心距离可根据设计要求通过控制缠绕节距控制在0.2mm～3mm之间，并且可根据具体设计要求调整。其中所述连续sic
f-金属先驱丝为表面带有20μm～100μm厚的金属或其合金的涂层的sic纤维。所述金属可以选自钛、铜、铁、镍、铝、镁或钨等。
8.步骤二、用聚甲基丙酸甲酯熔融液浸泡步骤一制得的先驱丝带固化后得到单层先驱丝板；具体地，可以将步骤一中的先驱丝带置于深度为预定深度的凹槽内并固定；将聚甲基丙酸甲酯(pmma)加热至熔融状态后倒入凹槽直至完全浸没先驱丝带，冷却后聚甲基丙酸甲酯固化将所述先驱丝的相对位置固定，制得所述单层先驱丝板。当所述连续sic
f-金属先驱丝为表面带有20μm～100μm厚的金属或其合金的涂层的直径100μm的sic纤维时，所述凹槽的预定深度可以为0.15～0.5mm。
9.步骤三、重复步骤二或采用多个凹槽同步进行先驱丝板的制备，制备多个先驱丝板；
10.步骤四、将步骤三中制得的先驱丝板进行堆叠，相邻两层先驱丝板中的先驱丝呈一定角度排布；所述角度一般为20
°
～90
°
，取决于设计要求。
11.步骤五、将步骤四中堆垛在一起的先驱丝板置于真空热压炉,施加0.01mpa～0.5mpa的压力，抽真空至10-2
pa，升温至180℃～200℃，升温时间为2h～3h，升温过程中pmma会软化、熔融，保温保压1h～3h，压力作用使得层间的sic
f-金属先驱丝达到相互接触的状态；升温至270℃～400℃，保温保压4h～6h，在该温度下pmma完全裂解为气体；然后升温至金属熔点的0.4～0.8倍的温度(当金属为钛时，700℃～1000℃(由钛合金牌号决定))，加压至0.5mpa～40mpa，保温保压2h～10h，使得相接触的先驱丝之间相互扩散连接成为整体，炉冷至低于200℃后卸压取出，得到连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构。
12.本发明的优点：(1)本发明制备过程不需要复杂的先驱丝铺放模具，同时能实现先驱丝间距均匀可控,且pmma具有良好的透光性，可以目视检查、筛选制备的先驱丝板排布均匀性及缺陷；(2)金属基复合材料点阵结构大量的孔隙便于pmma裂解后气体的挥发；(3)本发明突破了现有的模具方法对层间先驱丝固定、单一角度的限制，层间先驱丝的排布角度更为灵活，能更灵活地满足设计需求；(4)本方法得到的金属基复合材料点阵结构最表层为金属或其合金，便于通过焊接与其他构件/结构连接，连接位置具有耐高温、强度高的优势。
附图说明
13.图1是本发明的先驱丝板的制备及堆垛过程示意图；
14.图2为本发明方法制备的点阵结构的示意图。
具体实施方式
15.为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
16.本发明提供一种连续sic纤维增强金属基复合材料点阵结构的制备方法，图1是本发明的先驱丝板的制备及堆垛过程示意图，图2为本发明方法制备的点阵结构的示意图。
17.在圆筒工装外的外圆柱面的母线方向贴上双面胶，将sic
f-tc17先驱丝(表面带有25μm厚的tc17钛合金涂层的直径100μm的sic纤维)的一端垂直于双面胶固定在圆筒工装表面，沿着圆筒工装的中心轴将其顺时针旋转，圆筒的直径和高度均可调节，圆筒的周长即sic
f-tc17先驱丝带的长度，先驱丝缠绕间距设为0.5mm，缠绕至指定的宽度后缠绕的sic
f-tc17先驱丝由双面胶固定，示意图如图1(a)。将所有缠绕的sic
f-tc17先驱丝沿着双面胶的方向(即，外圆柱面的母线方向)切断，得到sic
f-tc17先驱丝带，采用这种方式，sic
f-tc17先
驱丝带的先驱丝排布均匀，并且效率高。
18.将先驱丝带置于深度为0.3mm的凹槽内并固定，如图1(b)；将pmma加热至200℃呈熔融状态，将熔液倒入凹槽直至完全浸没先驱丝带，冷却后pmma固化将sic
f-tc17先驱丝的相对位置固定，制得单层sic
f-tc17先驱丝板；
19.重复上一步骤或采用多个凹槽制备多个sic
f-tc17先驱丝板。
20.将sic
f-tc17先驱丝板在真空热压炉内进行堆叠，铺放角度呈现0
°
/45
°
/90
°
交替分布，示意图如图1(c)。施加0.1mpa的载荷进行预加压，抽真空至10-2
pa，升温至200℃之间，升温时间为2h，保温保压3h，升温过程中pmma开始软化、熔融，压力作用下使得层间的sic
f-tc17先驱丝达到相接触的状态，即先驱丝之间的相对位置已被固定；升温至400℃，保温保压6h，在该温度下pmma完全裂解为气体，只剩位置被固定的先驱丝；然后升温至900℃，加压至10mpa，保温保压5h，使得相接触的先驱丝之间相互扩散连接形成整体，然后炉冷至低于200℃后卸压取出，制得连续sic纤维增强tc17复合材料点阵结构，示意图如图2。
21.尽管上面以tc17钛合金为例进行了说明，不过，可以采用钛或其他钛合金来替代，或者甚至替换为其他金属或其合金，这种情况下，使相接触的先驱丝之间相互扩散连接形成整体所需的温度一般为对应金属或其合金熔点的0.4～0.8倍的温度。
22.本发明利用聚甲基丙酸甲酯(pmma)在中低温(～270℃)下可以软化、熔融-凝固及在中温(～400℃)可完全裂解为气体的特性，以pmma熔融液浸泡sicf-金属先驱丝带，固化后可得到均匀排布的先驱丝带，将先驱丝带交替排布后升温加压，使得先驱丝相互接触且在压力作用下相对位置固定，进一步升温使pmma裂解气化，同时多空结构有利于裂解气体的挥发，然后升温至一定温度，加压使先驱丝之间相互扩散连接形成整体，得到点阵结构。该方法制备的点阵结构，先驱丝间距均匀可控，层间先驱丝的相对角度可根据位置实时调整，可满足更多的设计结构需求。