一种SiC/SiC复合材料复杂筋结构蒙皮的制备方法与流程

一种sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮的制备方法
技术领域
1.本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮的制备方法。


背景技术：

2.近几年，随着飞行器飞行速度的提升，因空气加热使得飞行器表面蒙皮温度大大提高。与传统高温合金相比，sic/sic复合材料密度仅为高温合金的1/3～1/4，具有高强高模及高温抗氧化等优异性能，是高超声速飞行器蒙皮的理想应用材料。飞行器蒙皮通常尺寸大，为保证足够的刚度，蒙皮加筋结构复杂多样。目前制造sic/sic复合材料大尺寸加筋蒙皮结构通常有两种方法：一是采用分体式制造，通过制备分体的蒙皮及筋条构件，最终连接装配成型；二是采用整体编织，将加筋蒙皮整体编织，通过模具定型整体致密化成形。
3.分体式制造sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮不受加筋结构形式限制，方法灵活，但构件整体性较差，sic/sic复合材料连接强度的可靠性是否能满足实际构件应用尚待验证。采用整体编织方法，加筋结构与蒙皮通过纤维相连，致密化后构件整体性较好，可靠性高，但整体编织难度大，过程复杂，时间长，成本高，且适用范围受加筋结构形式所限，面对较为复杂的加筋结构形式(如米型加筋结构等)，无法整体编织成型，不利于工程化应用。针对sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮的低成本、普适性强、可靠性高的制造方法亟待开发。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮的制备方法，本发明的制备方法低成本、普适性强、可靠性高。
5.一种sic/sic复合材料复杂筋结构蒙皮，其特征在于，包括以下步骤：
6.1预制体编织：根据构件尺寸分体式编织蒙皮及筋条纤维预制体；
7.2缝合：将蒙皮与筋条纤维预制体通过sic纤维缝合连接，得到加筋蒙皮的纤维预制体；
8.3界面层制备：将加筋蒙皮纤维预制体放入化学气相沉积炉中制备界面层，得到带界面层的加筋蒙皮纤维预制体；
9.4先驱体浸渍：将带界面层的加筋蒙皮纤维预制体置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力《100pa时，将先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终使带界面层的加筋蒙皮纤维预制体全部淹没于陶瓷先驱体溶液中，浸渍处理24-48h；
10.5模压：将带界面层的加筋蒙皮纤维预制体装入模具中，模压定型；
11.6高温裂解：将带模具的加筋蒙皮纤维预制体放入高温裂解炉中高温裂解，高温裂解环境为真空环境或气氛环境中的一种，升温至先驱体陶瓷化转变点温度后保温0.5-2h；
12.7初步致密化循环：重复步骤4和步骤6至3-4次循环后，脱模得到多孔的加筋蒙皮坯体；
13.8进一步致密化：将加筋蒙皮坯体置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力《100pa时，将陶瓷先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终多孔的加筋蒙皮坯体淹没于陶瓷先驱体溶液，保持12-24h，然后将其再次放入模具中并置于高温裂解炉中裂解，高温裂解环境为真空环境或气氛环境中的一种，升温至先驱体陶瓷化转变点温度后保温0.5-2.0h，脱模称重，重复本步骤的浸渍-装模-高温裂解-脱模过程，待浸渍裂解后的加筋蒙皮坯体的重量与浸渍前质量增重率小于1％时，完成加筋蒙皮坯体的基体致密化过程，得到致密化的复杂筋结构蒙皮坯体。
14.本发明的方法还包括步骤9精加工：将步骤8中加筋蒙皮坯体按照图纸要求进行加工，得到净尺寸的加筋蒙皮坯体。
15.所述步骤1中，纤维预制体结构为2d、2.5d或3d，纤维体积分数为30％～50％。
16.所述步骤2中，sic纤维为第二代或第三代国产sic纤维，缝合密度为1～9针/cm2。
17.所述步骤3中，所述界面层为热解碳(pyc)界面层或氮化硼(bn)界面层。
18.所述步骤4中，所述先驱体溶液为聚碳硅烷溶液或液态聚碳硅烷。
19.本发明将蒙皮与筋条预制体分别制备后通过缝合将预制体连接至一体，可解决各类复杂加筋结构蒙皮的预制体编织问题，适用范围广，相比于整体编织方案有效降低预制体制备成本，简化工艺复杂度，缩短制备周期；
20.本发明在纤维预制体阶段创新采用缝合连接替代分体成型连接方法，提高构件的整体性和可靠性。
附图说明
21.图1是本发明方法的工艺流程图；
22.图2是复杂加筋蒙皮纤维预制体的立体结构示意图。
具体实施方式
23.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。
24.如图1中说明的本发明的工艺流程所示，本实施例通过分体式制备纤维预制体后进行缝合连接得到加筋蒙皮纤维预制体，利用模具定型，以丙烷和氩气为气源制备pyc界面层，以聚碳硅烷为先驱体，以二甲苯为溶剂制备sic陶瓷基体，致密化后通过机械加工得到sic/sic复合材料大尺寸加筋蒙皮，具体包括以下步骤：
25.1预制体编织：根据构件尺寸分体式编织蒙皮及筋条纤维预制体，采用2.5d编织结构，纤维体积分数为40％；
26.2缝合：将蒙皮与筋条纤维预制体通过sic纤维缝合连接，得到复杂筋结构蒙皮的纤维预制体，缝合密度为4针/cm2，如图2所示；
27.3界面层制备：将复杂筋结构蒙皮纤维预制体放入pyc化学气相沉积炉中，将炉内抽真空，真空度至50pa，然后升温至300℃，保温1h后继续升温至1000℃，保温1h，通入氩气和丙烷，两者流量比例为1：1，沉积压力位2000pa，沉积15h后降温至室温，制的pyc界面层的厚度为200nm；
28.4先驱体浸渍：以聚碳硅烷先驱体为溶质，以二甲苯为溶剂，聚碳硅烷占先驱体浸
渍溶液重量百分比的50％，在室温下均匀搅拌24h，得到sic陶瓷先驱体溶液；将制备好界面层加筋蒙皮纤维预制体置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力《100pa时，将sic陶瓷先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终使加筋蒙皮纤维预制体全部淹没于陶瓷先驱体溶液中，浸渍处理24h；
29.5模压：将带界面层的复杂筋结构蒙皮纤维预制体装入模具中，模压定型；
30.6高温裂解：将带模具的复杂筋结构蒙皮纤维预制体放入高温裂解炉中，抽真空至50pa，以10℃/min的升温速率加热到1200℃，保温1h；
31.7初步致密化：重复步骤4和步骤6至3-4次循环后，脱模得到多孔的复杂筋结构蒙皮坯体；
32.8进一步致密化：将大尺寸复杂筋蒙皮坯体置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力《100pa时，将陶瓷先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终多孔的复杂筋结构蒙皮坯体淹没于陶瓷先驱体溶液，保持12h，然后将其再次放入模具中并置于高温裂解炉中抽真空至50pa，以10℃/min的升温速率加热到1200℃,保温1h，脱模称重，重复本步骤的浸渍-装模-高温裂解-脱模过程，待浸渍裂解后的复杂筋结构蒙皮坯体的重量与浸渍前质量增重率小于1％时，完成复杂筋结构蒙皮坯体的基体致密化过程，得到致密化的复杂筋结构蒙皮坯体；
33.9精加工：将步骤8中复杂筋结构蒙皮坯体按照图纸要求进行加工，得到净尺寸的复杂筋结构蒙皮坯体。