一种尖锐前缘的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，以二维叠层碳纤维保护层包覆预制体内芯，消除预制体内芯由于机械加工导致的纤维断裂和掉针而引起的局部热流集中，提高制备的复合材料尖锐前缘的抗冲刷剥蚀性能。由于在纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层，使保护层紧密贴合经过加工的预制体内芯，保护层无需进行机械加工，表面完整，无微小的凸起和凹坑，以其作为尖锐前缘的半径表面，可消除预制体内芯的掉针和纤维断裂对气动加热的影响，使制备的复合材料尖锐前缘有良好的抗冲刷剥蚀性能。
【专利说明】一种尖锐前缘的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，提高所制备复合材料尖锐前缘在高温环境下服役的抗冲刷剥蚀性能。
【背景技术】
[0002]连续纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是一种理想的高温结构材料，具有耐高温、低密度、高强度、抗热震等一系列优点，在航空、航天领域有广泛的应用前景。通过基体改性，引入不同的高温相，可以极大的改善C/SiC的高温抗烧蚀性能，提高其在严苛的气动加热环境下的服役寿命与质量。
[0003]制备C/SiC复合材料的预制体有多种，如2D碳布叠层、2.5D和3D编织结构以及多向编织结构等。普通单一纤维编织结构不能很好满足尖锐前缘预制体的制备要求，特别对小曲率半径前缘(<3_)，很难完美编织尖锐前缘预制体的半径曲面；若经过适当机械加工、切割或者打磨获得半径曲面，会造成前缘半径部位出现纤维断裂和掉针情况，在前缘表面形成微小的凸起和凹坑。气动加热产生的热流密度与驻点半径的0.5次方成反比，驻点半径越小，热流密度越大；前缘表面的凸起和凹坑相当于微小的驻点半径，在气动加热中引起较大的热流，造成该部位的严重烧蚀。
[0004]在尖锐前缘制备保护层时，若采用普通编织结构很难编织尖锐前缘，前缘表面在加工成型时会出现纤维断裂和掉针情况，在前缘表面形成微小的凸起和凹坑，气动加热中引起巨大的热流集中，造成严重烧蚀。
【发明内容】
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，以二维叠层碳纤维保护层包覆预制体内芯，消除预制体内芯由于机械加工导致的纤维断裂和掉针而引起的局部热流集中，提高制备的复合材料尖锐前缘的抗冲刷剥蚀性能。
[0007]技术方案
[0008]一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于步骤如下:
[0009]步骤1、制作模具:依照尖锐前缘构件的设计图纸制作阳模和阴模，阳模与阴模之间留有空隙；所述阴模内表面半径曲面与尖锐前缘构件的前缘半径曲面吻合；
[0010]步骤2、制备二维叠层碳纤维保护层:将叠层碳纤维布平铺于阳模表面，通过模具上预留的孔位采用纤维将碳布牢固缝合固定；采用CVI工艺沉积热解碳和SiC，固定保护层形状，脱模后获得二维叠层碳纤维保护层的壳体；
[0011]所述叠层碳布的厚度为模具间隙厚度；
[0012]步骤3、制备纤维预制体内芯:[0013]采用CVI致密化方法制备碳纤维增强碳C/C或碳纤维增强碳化硅C/SiC预制体，其密度控制在1.2g/cm3-l.8g/cm3范围，按尖锐前缘构件的内芯尺寸对预制体进行机械加工，获得尖锐前缘纤维预制体内芯；
[0014]步骤4、组二维叠层碳纤维保护层与纤维预制体内芯合:在壳体与内芯对应部位打孔，采用C/SiC销钉将壳体与内芯组合，得到尖锐前缘预制体；
[0015]步骤5、制备尖锐前缘:采用CVI工艺对尖锐前缘预制体进一步致密化，获得最终复合材料尖锐前缘。
[0016]以PIP致密化方法取代步骤3的CVI碳纤维增强碳C/C或碳纤维增强碳化硅C/SiC预制体的制备。
[0017]以PIP或RMI工艺取代步骤5的CVI尖锐前缘预制体进一步致密化过程。
[0018]所述阳模与阴模之间的空隙为I~2mm。
[0019]所述|旲具材料为石墨材料。
[0020]所述阴模厚度为5~1Omm ;所述阳模尺寸与预制体内芯相同。
[0021]有益效果
[0022]本发明提出的一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，以二维叠层碳纤维保护层包覆预制体内芯，消除预制体内芯由于机械加工导致的纤维断裂和掉针而引起的局部热流集中，提高制备的复合材料尖锐前缘的抗冲刷剥蚀性能。由于在纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层，使保护层紧密贴合经过加工的预制体内芯，保护层无需进行机械加工，表面完整，无微小的凸起和凹坑，以其作为尖锐前缘的半径表面，可消除预制体内芯的掉针和纤维断裂对气动加热的影响，使制备的复合材料尖锐前缘有良好的抗冲刷剥蚀性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1石墨模具照片。
[0024]图2保护层照片。
[0025]图3所制备的尖锐前缘预制体正面照片。
[0026]图4所制备的尖锐前缘预制体侧面照片。
【具体实施方式】
[0027]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0028]实施例1:
[0029]前缘半径为1.5mm,内芯材料为三维针刺C/SiC的尖锐C/SiC_ZrC前缘，制备步骤如下:
[0030]模具制备:采用石墨材料，依据前缘设计图纸加工模具，阳模前缘半径为R0.5mm,阴模内表面半径为Rl.5mm,阳模阴模对应位置开圆孔,直径为5mm,距离前缘半径顶端15mm下均匀分布。
[0031]二维叠层保护层制备:将5层碳纤维布平整的铺于阳模表面，通过模具上预留的孔位用纤维将碳布牢固缝合固定。采用CVI工艺，通过丙烯在960°C下热解，在碳纤维表面沉积热解碳界面相，利用氢气将MTS载入沉积炉，在1000°C，5KPa压力下裂解MTS，沉积SiC基体，获得成型的保护层壳体。将缝合用碳纤维打磨后切割成宽25mm块体脱模，获得2D-C/SiC保护层壳体。
[0032]纤维预制体内芯制备:将密度为1.7g/cm3的三维针刺C/SiC板材按照内芯尺寸加工成宽25mm的块体，前缘半径为R0.5mm。
[0033]二维叠层碳纤维保护层与纤维预制体内芯组合:在壳体与内芯相对应部位打直径为3.5mm的孔，采用C/SiC销钉将壳体与内芯组合，得到前缘预制体。
[0034]尖锐前缘制备:采用VPI结合RMI方法，在预制体中真空压力浸渗酚醛树脂浆料，真空度为-0.08MPa，压力为0.8MPa，150°C固化后在900°C下裂解树脂最后在1700°C下渗入硅锆合金，获得C/SiC-ZrC尖锐前缘。
[0035]实施例2:
[0036]前缘半径为2mm，内芯材料为3维针刺C/SiC的C/SiC前缘，制备步骤如下:[0037]模具制备:采用石墨材料，依据前缘设计图纸加工模具，阳模前缘半径为Rlmm，阴模内表面半径为R2mm,阳模阴模对应位置开圆孔,直径为5mm,距离前缘半径顶端15mm下均匀分布。
[0038]二维叠层保护层制备:将5层碳纤维布平整的铺于阳模表面，通过模具上预留的孔位用纤维将碳布牢固缝合固定。采用CVI工艺，通过丙烯在960°C下热解，在碳纤维表面沉积热解碳界面相，利用氢气将MTS载入沉积炉，在1000°C，5KPa压力下裂解MTS，沉积SiC基体，获得成型的保护层壳体。将缝合用碳纤维打磨后切割成宽25mm块后脱模，获得2D-C/SiC保护层壳体。
[0039]纤维预制体内芯制备:将密度为1.7g/cm3的三维针刺C/SiC板材按照阴模尺寸加工成宽25mm的块体，前缘半径为Rlmm。
[0040]二维叠层碳纤维保护层与纤维预制体内芯组合:在壳体与内芯相对应部位打直径为3.5mm的孔，采用C/SiC销钉将壳体与内芯组合，得到前缘预制体。
[0041]尖锐前缘制备:采用CVI法，利用氢气将MTS载入沉积炉，在1000°C，5KPa压力下裂解MTS，在前缘预制体中沉积碳化硅基体，获得C/SiC尖锐前缘。
[0042]实施例3:
[0043]前缘半径为1.5mm,内芯材料为3维穿刺C/SiC的C/SiC尖锐前缘，制备步骤如下:
[0044]模具制备:采用石墨材料，依据前缘设计图纸加工模具，阳模前缘半径为R0.5mm,阴模内表面半径为Rl.5mm,阳模阴模对应位置开圆孔,直径为5mm,距离前缘半径顶端15mm下均匀分布。
[0045]二维叠层保护层制备:将5层碳纤维布平整的铺于阳模表面，通过模具上预留的孔位用纤维将碳布牢固缝合固定。采用CVI工艺，通过丙烯在960°C下热解，在碳纤维表面沉积热解碳界面相，利用氢气将MTS载入沉积炉，在1000°C，5KPa压力下裂解MTS，沉积SiC基体，获得成型的保护层壳体。将缝合用碳纤维打磨后切割成宽25mm块后脱模，获得2D-C/SiC保护层壳体。
[0046]纤维预制体内芯制备:将密度为1.7g/cm3的三维针刺C/SiC板材按照阴模尺寸加工成宽25mm的块体，前缘半径为R0.5mm。
[0047]二维叠层碳纤维保护层与纤维预制体内芯组合:在壳体与内芯相对应部位打直径为3.5mm的孔，采用C/SiC销钉将壳体与内芯组合，得到前缘预制体。[0048]尖锐前缘制备:采用PIP结合RMI方法，在预制体中真空压力浸渗呋喃树脂浆料，真空度为-0.08MPa，压力为0.8MPa，150°C固化后在900°C下裂解树脂，最后在1500°C下进行液硅浸渗，获得C/SiC尖锐前缘。
【权利要求】
1.一种纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于步骤如下: 步骤1、制作模具:依照尖锐前缘构件的设计图纸制作阳模和阴模，阳模与阴模之间留有空隙；所述阴模内表面半径曲面与尖锐前缘构件的前缘半径曲面吻合； 步骤2、制备二维叠层碳纤维保护层:将叠层碳纤维布平铺于阳模表面，通过模具上预留的孔位采用纤维将碳布牢固缝合固定；采用CVI工艺沉积热解碳和SiC，固定保护层形状，脱模后获得二维叠层碳纤维保护层的壳体； 所述叠层碳布的厚度为模具间隙厚度； 步骤3、制备纤维预制体内芯: 采用CVI致密化方法制备碳纤维增强碳C/C或碳纤维增强碳化硅C/SiC预制体，其密度控制在1.2g/cm3-l.8g/cm3范围，按尖锐前缘构件的内芯尺寸对预制体进行机械加工，获得尖锐前缘纤维预制体内芯； 步骤4、组二维叠层碳纤维保护层与纤维预制体内芯合:在壳体与内芯对应部位打孔，采用C/SiC销钉将壳体与内芯组合，得到尖锐前缘预制体； 步骤5、制备尖锐前缘:采用CVI工艺对尖锐前缘预制体进一步致密化，获得最终复合材料尖锐前缘。
2.根据权利要求1所述纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于:以PIP致密化方法取代步骤3的CVI碳纤维增强碳C/C或碳纤维增强碳化娃C/SiC预 制体的制备。
3.根据权利要求1所述纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于:以PIP或RMI工艺取代步骤5的CVI尖锐前缘预制体进一步致密化过程。
4.根据权利要求1所述纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于:所述阳模与阴模之间的空隙为I~2_。
5.根据权利要求1所述纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于:所述模具材料为石墨材料。
6.根据权利要求1所述纤维预制体内芯表面包覆二维叠层碳纤维保护层的尖锐前缘制备方法，其特征在于:所述阴模厚度为5~10_ ;所述阳模尺寸与预制体内芯相同。
【文档编号】C04B35/56GK103936450SQ201410116151
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】王一光, 刘俊朋, 罗磊, 段刘阳, 张立同, 成来飞 申请人:西北工业大学