一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及纤维增强陶瓷基复合材料，尤其涉及一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、纤维增强磷酸盐基复合材料具有耐高温、介电常数和介电损耗小、高温力学性能高的优点，广泛应用于航空、航天等领域。石英纤维和高硅氧纤维在900℃以下力学性能优异，但高于900℃纤维会发生析晶现象，力学强度急剧下降，且磷酸盐基体在高温下对石英纤维和高硅氧纤维的侵蚀较为严重，从而复合材料的高温力学性能产生不利的影响，使其在高于900℃的环境下的应用受限。

2、碳化硅纤维在1300℃以上仍具有较为优异的力学性能，如专利cn108455995a公布了一种碳化硅纤维增强磷酸盐基复合材料及其制备方法，该方法以碳化硅纤维为增强体制备的磷酸盐基复合材料在高温无氧条件下性能优异，但在高温空气条件下的抗氧化性能较差，需要对纤维进行抗氧化涂层处理，从而增大工艺难度和成本。且碳化硅纤维成本较高，从而限制了其广泛的应用。碳纤维的成本较低，采用碳纤维为增强体制备出磷酸盐基复合材料，复合材料的平均抗弯强度为122mpa，但在空气分为经600℃保温30min后复材的抗弯强度仅为38mpa，不能从根本上解决复合材料既能在高温下有较高的强度保留率，又能抗氧化、透波，同时成本低的难题。

技术实现思路

1、针对现有复合材料制备技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种既能在高温下有较高的强度保留率，又能抗氧化、透波，同时成本低的氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)对氧化铝纤维进行预处理；

5、(2)将氧化铝纤维通过定制工艺与低粘度的磷酸盐基体液体复合，制备出氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料素坯；

6、(3)将上述素坯进行干燥和热处理，获得氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料。

7、优选地，步骤(1)中所述氧化铝纤维为氧化铝质量含量大于等于60％的连续氧化铝纤维长丝、氧化铝纤维棉、氧化铝纤维布、氧化铝纤维套管、氧化铝纤维三维织物、氧化铝纤维毡或者氧化铝纤维异形件，优选地氧化铝质量含量介于70％-99％的氧化铝纤维长丝、氧化铝纤维布、氧化铝纤维套管或氧化铝纤维三维织物。

8、优选地，步骤(1)中所述对氧化铝纤维进行预处理为通过高温热处理或者溶剂洗涤的方式，部分或者全部除去氧化铝纤维中的上浆剂；优选通过高温热处理的方式，将氧化铝纤维在700℃的空气氛围处理1-5h，或者在1200-1400℃的空气氛围处理2-20s，将氧化铝纤维中的上浆剂全部除掉。

9、优选地，步骤(2)中所述低粘度磷酸盐基体液体指含有磷酸盐组成的溶液、浆料或者树脂，室温或者高温粘度小于50pa.s，能够浸润氧化铝纤维。优选地室温粘度介于20-80mpa.s的磷酸盐溶液、含有磷酸盐粉体的浆料。

10、优选地，步骤(2)中所述磷酸盐为含有磷酸基团的金属盐，包括但不限于磷酸铝、磷酸镧、磷酸铬、磷酸镁、磷酸铬铝中的一种或几种组成，优选地磷酸铝、磷酸镧、磷酸铬铝。

11、优选地，步骤(2)中所述定制工艺为缠绕成型工艺、铺层工艺或者立体织物浸渍成型工艺；优选地，制备弯管状、柱状、不含锥尖的锥状复合材料使用缠绕成型工艺，制备板状复合材料使用铺层工艺，制备含锥尖的锥状复合材料使用立体织物浸渍成型工艺。

12、优选地，步骤(2)中所述素坯为氧化铝纤维经一次或者多次浸渍含有磷酸盐组成基体液体后制备的板状、柱状、锥状或弯管状物质；当低粘度磷酸盐基体液体的陶瓷得率高于50％时，优选一次浸渍工艺；当陶瓷得率低于50％时，优选多次浸渍工艺。

13、优选地，步骤(3)中所述干燥为所述素坯经干燥热空气或者具有预设湿度热空气处理，除去素坯中的部分或者全部的非陶瓷相组分；优选地，通过干燥热空气的方式对所述素坯进行干燥，干燥温度为80-300℃，采用连续升温干燥或阶段升温干燥的方式，升温速率为1-10℃/min。

14、优选地，步骤(3)中所述热处理包括无机化裂解热处理和陶瓷化烧结热处理。

15、优选地，步骤(3)中所述无机化裂解热处理的温度低于700℃，优选地温度为300-600℃，升温速率为1-10℃/min，保温1-2h，采用连续升温热处理或阶段升温热处理的方式；所述陶瓷化烧结热处理的温度高于800℃，优选地温度为800-1300℃，升温速率为1-10℃/min，保温20min-2h，采用连续升温热处理或阶段升温热处理的方式。

16、一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料，采用本发明提供的制备方法制得。

17、本发明与现有技术相比至少有以下有益效果：

18、(1)本发明使用抗氧化性能、透波性能及耐高温性能优异，同时成本相对较低的氧化铝纤维做增强体，复合材料的抗氧化性能、透波性能优异，相比碳化硅纤维增强的磷酸盐基复合材料，无须做界面层同时成本较低；相比高硅氧玻璃纤维与石英纤维增强的磷酸盐基复合材料使用温度低于900℃，本发明的复合材料能够在1200℃甚至更高的温度下长时使用，且高温力学强度更为优异。

19、(2)本发明制备的氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料密度低于3.5g/cm3，室温拉伸强度大于120mpa，室温压缩强度大于150mpa，1000℃高温拉伸强度不低于100mpa，1000℃高温压缩强度不低于120mpa，复合材料在室温的介电常数不高于5，1200℃的介电常数不高于6，介电损耗不超过0.01。

20、(3)本发明工艺简单，可制备出板状、柱状、锥状、弯管状等多种形式的氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料，且原料成本和工艺成本低，生产周期短，便于规模化制备。

21、(4)本发明使用氧化铝纤维呈结晶态，耐腐蚀性能优异，减缓了高温下磷酸盐对纤维的腐蚀速度，避免了复合材料高温下力学强度的急剧衰减，可以作为结构材料、热防护材料和透波材料应用于航空航天领域。

技术特征：

1.一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化铝纤维为氧化铝质量含量大于等于60％的连续氧化铝纤维长丝、氧化铝纤维棉、氧化铝纤维布、氧化铝纤维套管、氧化铝纤维三维织物、氧化铝纤维毡或者氧化铝纤维异形件。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述对氧化铝纤维进行预处理为通过高温热处理或者溶剂洗涤的方式，部分或者全部除去氧化铝纤维中的上浆剂；所述高温热处理为：将氧化铝纤维在700℃的空气氛围处理1-5h，或者在1200-1400℃的空气氛围处理2-20s。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述低粘度磷酸盐基体液体指含有磷酸盐组成的溶液、浆料或者树脂，室温或者高温粘度小于50pa.s。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述磷酸盐包括磷酸铝、磷酸镧、磷酸铬、磷酸镁、磷酸铬铝中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述定制工艺为缠绕成型工艺、铺层工艺或立体织物浸渍成型工艺；其中，若制备弯管状、柱状、不含锥尖的锥状复合材料，则使用缠绕成型工艺；若制备板状复合材料，则使用铺层工艺；若制备含锥尖的锥状复合材料，则使用立体织物浸渍成型工艺。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述素坯为氧化铝纤维经一次或者多次浸渍含有磷酸盐组成基体液体后制备的板状、柱状、锥状或弯管状物质；当低粘度磷酸盐基体液体的陶瓷得率高于50％时，选用一次浸渍工艺；当陶瓷得率低于50％时，选用多次浸渍工艺。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述干燥为所述素坯经干燥热空气或具有预设湿度热空气处理，除去素坯中的部分或者全部的非陶瓷相组分；其中，经干燥热空气的的处理方式的条件包括：干燥温度为80-300℃，采用连续升温干燥或阶段升温干燥的方式，升温速率为1-10℃/min。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述热处理包括无机化裂解热处理和陶瓷化烧结热处理；所述无机化裂解热处理的温度低于700℃，升温速率为1-10℃/min，保温1-2h，采用连续升温热处理或阶段升温热处理的方式；所述陶瓷化烧结热处理的温度高于800℃，升温速率为1-10℃/min，保温20min-2h，采用连续升温热处理或阶段升温热处理的方式。

10.一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开一种氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料及其制备方法，涉及纤维增强陶瓷基复合材料技术领域，通过对氧化铝纤维进行预处理；将氧化铝纤维通过定制工艺与低粘度的磷酸盐基体液体复合，制备出氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料素坯；将上述素坯进行干燥和热处理，获得氧化铝纤维增强磷酸盐基复合材料。本发明能够制备出均匀致密、力学、耐高温和透波等综合性能优异的磷酸盐基复合材料，制备成本低，工艺简单。

技术研发人员：李敬毓,刘一畅,张剑,于长清,杨小波,李淑琴
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：2024/3/27