氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及纤维增强陶瓷复合材料技术领域，尤其涉及一种氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.连续氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料具有耐高温、抗氧化、良好的力学性能强度和隔热性能，可以在高温条件下长时使用，在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景。三维织物真空浸渍-干燥-热处理成型工艺采用氧化铝纤维编织成纤维预制体，再经过浸渍-干燥。这种方法需要对织物进行预处理去除浸润剂，然后采用有机先驱体溶液或溶胶作为基体进行反复浸渍-干燥致密化处理，最后经过热处理得到氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料。公开号cn105254320a、cn106699209a和cn106966742a中国专利分别公开了基于浸渍-固化-热处理工艺的氧化物纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。此方法存在一些缺点：一是由于有机先驱体或溶胶的陶瓷产率较低，一般不超过20wt％，需要经过10次以上的反复浸渍-高温热处理，多次热处理易加剧氧化铝纤维的热损伤，导致复合材料力学性能下降。二是该工艺周期长，效率低、工艺成本高。
3.公开号cn110590388a中国专利公开了氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷的预浸料-热压成型方法。这种方法采用氧化铝粉球磨浆料作为基体，可以实现复合材料的快速制备，工艺简单、成本低。但是氧化铝粉烧结活性较低，颗粒之间结合较弱；此外，没有界面层的保护，在高温条件下纤维易与基体发生反应，导致复材性能下降。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料及其制备方法，采用氧化铝纤维作为增强相来增强氧化铝基体的强度。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
6.一种氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
7.1)球磨制备莫来石浆料：将莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸混合后进行球磨，得到莫来石浆料；
8.2)氧化铝纤维布的预处理：将氧化铝纤维布置于马弗炉中进行加热处理，得到氧化铝纤维预制体，去除氧化铝纤维预制体表面的浸润剂，自然降温后取出，得到除去浸润剂的连续氧化铝纤维预制体；
9.3)磷酸镧界面层制备：制备磷酸镧前驱体溶液，将连续氧化铝纤维预制体浸渍磷酸镧前驱体溶液进行反应，然后将连续氧化铝纤维预制体从磷酸镧前驱体溶液中取出并用超纯水清洗若干次，再置于烘箱中干燥，再在马弗炉中进行热处理，得到含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布；
10.4)真空-热压成型：将含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布置于模具中，将莫来石浆
料涂刷在含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布表面上，进行逐层铺层，并逐层涂刷莫来石浆料，铺层完毕后置于真空压机中进行真空-热压成型，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体；
11.5)致密化：将氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体置于真空罐中，浸渍莫来石溶胶，然后置于真空烘箱中进行干燥，干燥后再置于马弗炉中进行热处理，循环进行4～6次浸渍-干燥-热处理，至复合材料不再增重，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料成品。
12.进一步地，步骤1)中莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸的质量比为(40～100):(100～200):(1～3)。
13.进一步地，步骤1)中莫来石溶胶的陶瓷产率为10～20wt％。
14.进一步地，步骤1)中莫来石浆料的陶瓷产率为20～60wt％，优选为40wt％。
15.进一步地，步骤2)中氧化铝纤维布是由氧化铝纤维制成的缎纹布、斜纹布或平纹布。
16.进一步地，步骤2)中加热处理的温度为500～600℃，加热处理的时间为1～3h。
17.进一步地，步骤3)中连续氧化铝纤维预制体浸渍磷酸镧前驱体溶液的反应温度为50～70℃，反应时间为1～2h；在烘箱中的干燥温度为80～120℃，干燥时间为12～24h；在马弗炉中热处理温度为800～1000℃，热处理时间为1～2h。
18.进一步地，步骤4)中真空-热压成型的热压温度为120-300℃，热压时间为2-6h，优选180℃、4h。
19.进一步地，步骤5)中干燥温度为40-80℃，干燥时间为18-36h，优选60℃、24h。
20.进一步地，步骤5)中热处理温度为1000-1200℃，热处理时间为1-4h，优选1100℃、2h。
21.一种氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料，由上述方法制备得到。
22.本发明达到的有益效果为：首先，本发明提供的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料是在氧化铝纤维表面制备了磷酸镧界面层，可以有效改善纤维与基体之间的强结合。其次，采用莫来石粉与莫来石溶胶混合球磨制备莫来石浆料，低烧结活性的莫来石粉颗粒作为填料，高烧结活性的莫来石溶胶颗粒作为粘结剂，可以在提高浸渍效率的同时，保持基体的烧结活性。最后，本发明提供的复合材料具有优异的高温力学性能，并且其制备方法简单易行、成本低、周期短。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料的制备方法流程图。
具体实施方式
24.为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
25.实施例1
26.s1、莫来石浆料的制备：将莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸加入球磨罐中，加入大、
小磨球，设置球磨机转速为150rpm，球磨8h得到陶瓷产率为20wt％的莫来石浆料。其中莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸的质量比为40:150:1，莫来石溶胶的陶瓷产率为20wt％。
27.s2、氧化铝纤维预制体的预处理：将氧化铝纤维缎纹布置于马弗炉中，加热至500℃保温3h，待自然降温至室温后得到去除浸润剂后的氧化铝纤维预制体。
28.s3、磷酸镧界面层的制备：采用现有制备方法如cn110983757a制备磷酸镧前驱体溶液，将硝酸镧溶液(0.4mol/l)和磷酸溶液(0.4mol/l)在1℃下搅拌混合后，得到磷酸镧前驱体溶液；将除去浸润剂的氧化铝纤维预制体浸渍磷酸镧前驱体溶液，在70℃下反应1h，然后从磷酸镧前驱体溶液中取出用超纯水清洗三次，再置于烘箱中在80℃条件下干燥24h，再在马弗炉中于900℃进行热处理1.5h，得到含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布；
29.s4、真空-热压成型：将含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布置于模具中，将莫来石浆料涂刷在含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布表面上，继续逐层铺层 涂刷莫来石浆料，铺层完毕后将其置于真空压机中进行真空-热压成型，热压温度为120℃，保温时间为6h，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体；
30.s5、致密化：将氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体置于真空罐中，浸渍莫来石溶胶后置于真空烘箱中进行干燥40℃，保温36h，最后将其置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为1000℃，保温时间为3h，进行4次循环浸渍-干燥-热处理，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料成品。
31.实施例2
32.s1、莫来石浆料的制备：将莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸加入球磨罐中，加入大、小磨球，设置球磨机转速为300rpm，球磨8h得到陶瓷产率为40wt％的莫来石浆料。其中莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸的质量比为80:200:2，莫来石溶胶的陶瓷产率为10wt％。
33.s2、氧化铝纤维预制体的预处理：将氧化铝纤维斜纹布置于马弗炉中，加热至600℃保温1h，待自然降温至室温后得到去除浸润剂后的氧化铝纤维预制体。
34.s3、磷酸镧界面层的制备：将硝酸镧溶液(0.6mol/l)和磷酸溶液(0.6mol/l)在2℃下搅拌混合后，得到磷酸镧前驱体溶液；将除去浸润剂的氧化铝纤维预制体浸渍磷酸镧前驱体溶液，在50℃下反应2h，然后将其从磷酸镧前驱体溶液中取出用超纯水清洗三次，再置于烘箱中在120℃条件下干燥12h，再在马弗炉中于1000℃进行热处理1h，得到含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布；
35.s4、真空-热压成型：将含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布置于模具中，将莫来石浆料涂刷在含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布表面上，继续逐层铺层 涂刷莫来石浆料，铺层完毕后将其置于真空压机中进行真空-热压成型，热压温度为300℃，保温时间为2h，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体；
36.s5、致密化：将氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体置于真空罐中，浸渍莫来石溶胶后置于真空烘箱中进行干燥60℃，保温24h，最后将其置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为1200℃，保温时间为1h，进行6次循环浸渍-干燥-热处理，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料成品。
37.实施例3
38.s1、莫来石浆料的制备：将莫来石粉、莫来石溶胶和柠檬酸加入球磨罐中，加入大、小磨球，设置球磨机转速为500rpm，球磨8h得到陶瓷产率为60wt％的莫来石浆料。其中莫来
石粉、莫来石溶胶和柠檬酸的质量比为100:100:3，莫来石溶胶的陶瓷产率为15wt％。
39.s2、氧化铝纤维预制体的预处理：将氧化铝纤维平纹布置于马弗炉中，加热至550℃保温1.5h，待自然降温至室温后得到去除浸润剂后的氧化铝纤维预制体。
40.s3、磷酸镧界面层的制备：将硝酸镧溶液(0.5mol/l)和磷酸溶液(0.5mol/l)在1℃下搅拌混合后，得到磷酸镧前驱体溶液；将除去浸润剂的氧化铝纤维预制体浸渍磷酸镧前驱体溶液，在60℃下反应1.5h，然后将其从磷酸镧前驱体溶液中取出用超纯水清洗三次，再置于烘箱中在100℃条件下干燥18h，再在马弗炉中于800℃进行热处理2h，得到含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布；
41.s4、真空-热压成型：将含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布置于模具中，将莫来石浆料涂刷在含有磷酸镧界面层的氧化铝纤维布表面上，继续逐层铺层 涂刷莫来石浆料，铺层完毕后将其置于真空压机中进行真空-热压成型，热压温度为180℃，保温时间为4h，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体；
42.s5、致密化：将氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料坯体置于真空罐中，浸渍莫来石溶胶后置于真空烘箱中进行干燥80℃，保温18h，最后将其置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为1100℃，保温时间为2h，进行5次循环浸渍-干燥-热处理，得到氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料成品。
43.参照实施例3的工艺参数条件，采用莫来石粉与柠檬酸(不含莫来石溶胶)球磨制备莫来石浆料，制备含磷酸镧界面层的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料作为对比例1；参照实施例3的工艺参数条件，制备不含磷酸镧界面层的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料作为对比例2。对实施例3的得到的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料和对比例1-2试样进行力学性能测试对比，得到表1所示的主要性能参数。由表1可以看出，实施例3制备的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料具有优异的高温力学性能；而对比例1因未添加莫来石溶胶，对比例2因未含有磷酸镧界面层，因此制备的氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料拉伸和压缩强度性能都比较差。
44.表1 氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料成品性能参数
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虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。