一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料及其制备方法与流程

本发明涉及纤维增强氧化物陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着飞行器的飞行速度、时间不断提高，飞行器用结构件所面临的力、热考核愈发严峻。飞行器结构件中的高温、超高温结构一般会使用陶瓷基复合材料，而与其连接的机身大部分结构使用的仍是金属材料。当陶瓷基复材结构与金属结构通过紧固件连接时，紧固件处会形成热桥效应，为了使机身的冷承载结构不至于超温失稳，也使机身内部设备能够在合适的温度下工作，通常会在两者之间设置热桥阻断材料，这类材料需要同时具有较低的热导率和较高的力学强度，通常为氧化物陶瓷基复合材料，当前所广泛应用的陶瓷基热桥阻断材料多为石英纤维增强二氧化硅基复合材料。

2、以石英纤维增强二氧化硅复合材料为代表的现有氧化物陶瓷基复合材料的力、热性能与材料密度息息相关。当材料密度高时，其力学性能高，但热导率也高；而材料密度低时，热导率低，但力学性能也低。因此，解决材料低导热与高强度的矛盾是开发陶瓷基热桥阻断材料的关键。要进一步提高材料的高温力学强度并降低材料的热导率，对材料基体组成结构的设计与改性、增强织物结构的设计与优化以及复合材料的成型工艺都提出了新的挑战。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料，并相应提供一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料的制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

3、一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料，包含增强纤维和复合基体，所述增强纤维为石英纤维，所述复合基体的主要成分为氧化硅、氧化铝以及氧化钛；所述氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料经溶胶-凝胶工艺制备得到。

4、优选的，所述氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料的密度在1.5-1.7g/cm3，室温-300℃导热系数低于0.6w/m·k，室温-1000℃拉伸强度在30mpa以上，室温-1000℃压缩强度在100mpa以上。

5、本发明还提供一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料的制备方法，包括以下步骤：

6、制备低纤维体积含量三维石英纤维织物；

7、制备氧化铝、氧化钛改性硅溶胶；

8、将所述低纤维体积含量三维石英纤维织物浸渍所述氧化铝、氧化钛改性硅溶胶，并进行凝胶、干燥和热处理，得到氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料。

9、进一步地，所述低纤维体积含量三维石英纤维织物的结构可以为2.5d结构，也可以为三向正交结构，纤维体积含量为25～35％。

10、进一步地，所述低纤维体积含量三维石英纤维织物采用起圈合股纱工艺制得，在编织前对石英纤维进行合股时，使用1-2股长度较长的石英纤维与其它长度较短的石英纤维进行合股加捻。在合股纱线首尾对齐的前提下的，加捻后较长的纱线会从合股纱线中以起圈的形式翘出来，使得合股纱线表面布满起圈的纱线，形成一种膨化的合股纱线。使用这样的起圈合股纱可以得到纤维体积含量远低于正常情况的2.5d结构织物和三向正交结构织物。

11、进一步地，所述制备氧化铝、氧化钛改性硅溶胶，包括：准备钛化合物改性硅溶胶和铝溶胶，分别采用酸性溶液将钛化合物改性硅溶胶和铝溶胶的ph值调节至2～4。将配好的钛化合物改性硅溶胶缓慢滴入快速搅拌的铝溶胶中，得到氧化铝、氧化钛改性硅溶胶。

12、所述钛化合物改性硅溶胶的制备方法由中国专利cn115947346a所公开。

13、所述铝溶胶的ph为3.5～5，粒径范围为5～100nm，氧化铝含量为5～40％。

14、所述氧化铝、氧化钛改性硅溶胶中，氧化铝与氧化硅的质量比为0.1～1.0。

15、所述酸性溶液为稀硝酸、稀盐酸、乙酸、柠檬酸中的一种或几种。

16、进一步地，所述浸渍包括：首先将低纤维体积含量织物进行预处理去掉其表面浸润剂，随后将织物置于模具中，抽真空后浸渍上述改性硅溶胶，随后施加压力使得改性硅溶胶进一步进入到织物的孔隙中。鉴于改性溶胶的不稳定性，所述优选的真空浸渍时间为1～2h，保压时间为2～8h。

17、进一步地，所述凝胶包括：将所述装有溶胶和织物的模具整体置于烘箱中升温，使改性硅溶胶凝胶，自然冷却后取出得到石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料湿坯。所述升温的升温速率为1～3min/℃，温度为60～90℃，保温时间为12～24h。

18、进一步地，所述干燥包括：首先将所述石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料湿坯置于鼓风干燥箱中干燥，自然降温至室温取出，得到热桥阻断材料干坯。所述干燥采用梯度升温干燥方式，可选用的升温速率为3～5℃/min，温度控制流程为50℃1～2h，100℃1～2h，200℃1～2h，也可选用其它干燥程序，达到充分干燥的目的即可。

19、进一步地，所述热处理包括：将所述热桥阻断干坯置于马弗炉中，900～1000℃保温0.5～2h。冷却至室温后，得到石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料。

20、进一步地，重复上述浸渍、凝胶、干燥和热处理的步骤，直至复材密度达到1.5～1.7g/cm3。

21、和现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、(1)本发明设计并制备的石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料解决了当前石英基热桥阻断材料低导热与高强度难以兼备的问题。

23、(2)本发明采用起圈合股纱工艺解决了当前2.5d及三向正交结构立体织物纤维体积含量难以降低的问题，实现了高强度增强织物纤维体积含量的降低，该织物强度远高于同纤维体积含量的针刺织物。

24、(3)本发明的复合材料为低纤维体积含量立体织物增强复合基体陶瓷基复合材料，与常用于热桥阻断材料的针刺结构石英纤维增强二氧化硅基复合材料相比强度更好，与高纤维体积含量立体织物增强二氧化硅基复合材料相比防隔热性能更好。

25、(4)本发明采用的基体原料是以酸性硅溶胶为基础，氧化钛、氧化铝为改性功能组分，通过调整钛改性硅溶胶和铝溶胶的固含量、粒径、ph等指标，实现相对稳定且低固含量凝胶的改性复合溶胶。氧化钛、氧化铝的加入提高的二氧化硅基体的隔热性能和强度。

26、说明书附图

27、图1是本发明的氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料的制备方法的步骤流程图。

28、图2是三股同样长短的纱线加捻合股得到常见的三合股纱线示意图。

29、图3是两股短纱线与一股长纱线加捻合股得到三合股的起圈合股纱意图。

技术特征：

1.一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料，其特征在于，包含增强纤维和复合基体，所述增强纤维为石英纤维，所述复合基体包含氧化硅、氧化铝以及氧化钛；所述氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料经溶胶-凝胶工艺制备得到。

2.一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低纤维体积含量三维石英纤维织物为2.5d结构或三向正交结构，纤维体积含量为25～35％。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低纤维体积含量三维石英纤维织物采用起圈合股纱工艺制得。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述制备氧化铝、氧化钛改性硅溶胶，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铝溶胶的ph为3.5～5，粒径范围为5～100nm，氧化铝含量为5～40％；所述氧化铝、氧化钛改性硅溶胶中氧化铝与氧化硅的质量比为0.1～1.0；所述酸性溶液为稀硝酸、稀盐酸、乙酸、柠檬酸中的至少一种。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述浸渍包括：将低纤维体积含量织物进行预处理去掉其表面浸润剂，随后将织物置于模具中，抽真空后浸渍改性硅溶胶，随后施加压力使得改性硅溶胶进入到织物的孔隙中；所述浸渍的时间为1～2h，保压时间为2～8h。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述凝胶包括：将所述装有溶胶和织物的模具整体置于烘箱中升温，使改性硅溶胶凝胶，自然冷却后取出得到石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料湿坯；所述升温的升温速率为1～3min/℃，温度为60～90℃，保温时间为12～24h。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述干燥包括：将石英纤维增强氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料湿坯置于鼓风干燥箱中干燥，自然降温至室温取出，得到热桥阻断材料干坯；所述干燥采用梯度升温干燥方式，升温速率为3～5℃/min，温度控制流程为50℃1～2h，100℃1～2h，200℃1～2h；所述热处理包括：将所述热桥阻断干坯置于马弗炉中，900～1000℃保温0.5～2h。

10.根据权利要求2～8中任一项所述的方法，其特征在于，重复浸渍、凝胶、干燥和热处理的步骤，直至复材密度达到1.5～1.7g/cm3。

技术总结
本发明涉及一种氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料及其制备方法。该复合基体热桥阻断材料包含增强纤维和复合基体，所述增强纤维为石英纤维，所述复合基体包含氧化硅、氧化铝以及氧化钛。该制备方法包括：制备低纤维体积含量三维石英纤维织物；制备氧化铝、氧化钛改性硅溶胶；将所述低纤维体积含量三维石英纤维织物浸渍所述氧化铝、氧化钛改性硅溶胶，并进行凝胶、干燥和热处理，得到氧化硅/氧化铝/氧化钛复合基体热桥阻断材料。本发明解决了当前石英基热桥阻断材料低导热与高强度难以兼备的问题。

技术研发人员：崔凤单,马嘉徽,高文博,张鸿超,张剑,于长清
受保护的技术使用者：航天特种材料及工艺技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5