複合結構預存應力筋增強陶瓷基複合材料及其製造方法

2024-01-30 18:06:15

專利名稱：複合結構預存應力筋增強陶瓷基複合材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料，本發明還涉及該複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的製造方法，通過複合結構預存應カ筋自身的錨固解除，給陶瓷基體提供預應力。
背景技術：
陶瓷材料正是由於它的耐高溫、抗氧化、高耐磨、硬度大、耐腐蝕、抗壓強度高等眾多優異性能，使得陶瓷在當今世界裡可謂是無處不在，其在航空航天、機械、電子、能源等軍事、民用行業都有它不可替代的貢獻和作用，然而，陶瓷的致命弱點就是脆性很大，抗拉強度非常低，其對裂紋、氣孔、雜質等缺陷特別敏感，大大限制了它在眾多領域的應用。因此廣大專家學者前僕後繼、不懈努力地去研究改善陶瓷的脆性、提高其抗拉強度、増加其使用的 可靠性延長其服役期限，比如通過控制陶瓷的晶粒大小、應用相變機理改善其韌性，還有在陶瓷基體加入晶須、增強顆粒等物增韌，但增韌效果不佳，增韌後的陶瓷基複合材料斷裂韌度Krc —般不超過12MPaml/2而採用高強度、高韌性的纖維增強陶瓷基複合材料的斷裂韌度Kic在20MPam1/2左右，有些連續纖維增韌的陶瓷複合材料的斷裂韌度K1。可超過30MPam1/2，因此其斷裂韌度和比例極限應力相比前面所述的增韌途徑來說確實有了很大的提高1。雖然像連續纖維作為增強體在目前看來增韌效果最好，但還是解決不了其所增強的陶瓷基過早開裂這一問題。當該材料構件受力吋，隨著荷載増加，陶瓷基體首先開裂，此時纖維增強體的應カ很小，其還遠沒達到自己的強度，而對那些彈性模量不夠高的纖維增強體更加明顯了。陶瓷基體開裂後嚴重影響構件的耐久性、安全性，因此其後的受カ性能受到很大的影響。由於陶瓷其本質上的脆性還是很大地限制了該種增韌途徑的增韌效果，就是使用相當高彈性模量的增強纖維，也是很難改變此種劣勢。因此我們如何改變這種劣勢？可不可以利用預應カ法？在連續纖維增韌的陶瓷複合材料增韌機理中，增強體引入的目的就是發揮其優越的抗拉性能，在構件中承受主要的拉應カ，為了防止基體過早開裂，為何不在複合材料構件採用預應カ效應，預先使陶瓷基體受到壓縮應力，即在複合材料成型過程中讓增強體給陶瓷基體預壓，當陶瓷基體受到張カ時，必須先超過預加的壓縮應力，從而增加了陶瓷基體受張カ而開裂的應變量。這樣利用了陶瓷超大的抗壓強度，彌補陶瓷基體的脆性，很好的増加複合材料構件的韌性、整體性、耐久性。文獻2顯示，在對纖維增強體或者增韌陶瓷的設計當中，增強體與基體兩者除了化學上要具有相容性，在物理上也要相客。在物理相容性方面有彈性模量和線脹係數，增強體與基體的彈性模量要匹配，儘量使增強體的彈模大於基體的彈模，其目的就是多讓增強體受カ。而對於線脹係數方面，增強體的線脹係數要大於陶瓷基體的線脹係數，其目的就是在複合材料成型溫度以下時，增強體可給基體帶來預壓應力，這樣有利於所選擇的整個複合材料的性能。由材料線脹係數差獲得的預應カ的方法，在這裡暫且稱其為線脹係數差法。因此複合材料溫度越低，增強體對陶瓷基體的預應カ就越大。目前連續纖維增強陶瓷基複合材料主要採用碳纖維，碳纖維的線脹係數一般小於I. IXlO-6K-1以下，而陶瓷的線脹係數大於2. OX KT6IT1,該複合材料的成形溫度一般超過1000°C，這就意味著兩者在成形溫度下複合後，當複合材料溫度低於此溫度吋，碳纖維就會給陶瓷基體施加拉應力，只要溫度降到一定程度後，線脹係數差造成的溫度應カ超過陶瓷基體的極限抗拉應力，該複合材料就會開裂，導致材料的可靠性等一系列的性能降低。比如日本東麗公司T300碳纖維，其軸線線脹係數為I X KT6IT1,強度為3. 53GPa，弾性模量為230GPa3。複合材料中陶瓷基體與碳纖維的體積分數為I : 1，假設陶瓷的線脹係數為0，當複合材料的溫度下降1000°C，就是受壓的陶瓷基體不受壓變形，其溫度應カ約為230MPa，只有其強度的6. 5%左右，因此由線脹係數差法給陶瓷基體施加的預壓カ過小，更何況陶瓷基體的線脹係數都大於0，這樣預壓應カ就更小了。再者，用線脹係數差來提供預應カ，這種途徑很難控制，更何況當溫度接近複合材料成型溫度時，其預應カ就會慢慢消失，預應カ增韌或者增加強度效果隨之消失。當溫度超過複合材料成型溫度時，增強體就會讓陶瓷基體出現拉應力，加速基體的開裂，導致複合材料性能下降。給陶瓷材料增韌和增強的其它預應力法有1、預加應力，即人為地在材料表面制 造ー層壓應カ層，在該材料使用過程中，陶瓷材料表面受到拉伸破壞之前，首先必須克服表面上的殘餘壓應力，如鋼化玻璃採用此法增韌，即通過一定加熱、冷卻制度在表面人為地引入殘餘壓應カ增韌，但此法增韌效果有限；2、化學強化，如離子置換法，在基體升溫時，將材料中的小離子替換成大離子，當材料冷卻後，則大離子受到擠壓，給材料提供預壓力，但此法中的殘預應カ大小很難被控制4;3、陶瓷/金屬複合，其預應カ約束陶瓷材料的方法有金屬熱噴塗沉積法5、金屬熔覆法6等，將金屬包覆陶瓷，利用金屬的線脹係數大於陶瓷的線脹係數及其金屬的優良的抗拉和韌性，給陶瓷提供預壓應力7。金屬包覆陶瓷之法雖然比較容易對陶瓷施加約束應力，但是其約束應力的水平很難得以控制。而金屬又無法承受高溫環境。又如在預應カ混凝土應用的方法-先張法，在纖維增強陶瓷基複合材料成型之前，預先對纖維進行張拉，然後築構與纖維結合的陶瓷基體，待陶瓷基體固化後，撤銷對纖維的張拉，進而纖維回縮給陶瓷基體予以壓縮應力。但實現此法並不容易，又何況在高溫成型的環境裡。然而，不管使用上述何種方法都很難根據控制材料所需求的預應カ值水平，無法滿足陶瓷材料受カ的需求。隨著材料科技的發展和エ藝的改進，纖維材料強度和彈性模量越來越高，如日本東麗公司生產出來的PAN基碳纖維抗拉強度已達8GPa以上，Hercules公司生產出來的牌號為Magnamite頂7的PAN-CF碳纖維，其抗壓強度已達到8. 8GPam。因此如此高強度的增強體與陶瓷複合，如果複合材料中的纖維和基體處在應力低或者無應カ狀態，那麼陶瓷基體在開裂前，這些超高強度的纖維在抗裂方面基本上沒起到作用，從而由於陶瓷基體開裂嚴重影響構件的安全性、可靠性、耐久性，還造成纖維強度的非常大的過剰。因此即使超高模量的纖維也不能解決此種棘手問題，更何況彈性模量越高，複合材料的韌性越差，對陶瓷的脆性這ー問題還是沒有解決。

發明內容
本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種基體從受カ到破壞的應變量大，基體裂縫的出現大大推遲，材料的韌性、整體性、可靠性增加的複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料。
本所要解決的第二個技術問題是提供ー種製造該複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法。為了解決上述第一個技術問題，本發明提供的複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料，採用如下方法製成由纖維束筋與纖維編織或者針刺成預製體或者単獨使用纖維束筋編織成預製體，預製體的編織時使纖維束筋的至少其中的一端處在便於切削和預應カ釋放的位置，通過化學氣相浸滲法(CVI)，製成陶瓷基複合材料粗胚，或採用先驅體轉化工藝、熱壓燒結エ藝、化學氣相浸滲法，或者這三種エ藝聯合使用，然後通過對陶瓷基複合材料粗胚進行磨削或者鑽孔的方法，解除纖維束筋自身的端部錨固，纖維束筋與基體的界面粘結作用給陶瓷基體施加預壓應力；隨後進行1500°C 1600°C負壓高溫熔融浸矽填充外管與芯棒的間隙，或者採用可碳化的熱固性樹脂填充外管與芯棒的間隙，使芯棒參與受力，最後製成成品；或者將芯棒取出，再採用化學氣相沉積法或者負壓高溫熔融浸矽堵孔，然後成型。為了解決上述第二個技術問題，本發明提供的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，將纖維束筋與纖維編織或者針刺成預製體或者単獨使用纖維束筋編織成預製體，預製體的編織時使纖維束筋的至少其中的一端處在便於切削和預應カ釋放的位置，纖維束筋的體積分數在複合材料的所需預應カ計算定出，纖維束筋的體積分數範圍在3 60%，將上述預製體放入化學氣相浸滲/沉積爐中，製造SiC基複合材料，沉積溫度為1000°C 1100°C，真空度保持在50 500Pa，原料氣體的氣體流量為180 220L/min，保護氣體採用Ar氣，流量取180 220L/mi n，第一次沉積時間為8 12天，達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，8 12天後取出，完成陶瓷基複合材料粗胚製造エ序；然後對陶瓷基複合材料粗胚進行預應カ釋放式加工エ序，如果芯棒不需取出，這ーエ序可以從第一次沉積完後開始，完成預應カ釋放式加工エ序後對按理論所需Si量的I. 2
I.5倍添加Si微粉，其粉粒度為10 100 μ m，將Si粉與陶瓷基複合材料粗胚置於石墨坩堝內使磨削線面與Si接觸，將石墨坩堝置於溫度為1500 1600°C負壓高溫爐(充入Ar氣的O 500Pa的微正壓)內進行熔融浸矽進行填充纖維束筋的外管3和芯棒4的間隙，保溫I. 5 2. 5小時，或者在纖維束筋的外管3和芯棒4的間隙加入碳的前驅體物質高溫裂解填充間隙，或者將芯棒取出，再採用化學氣相沉積法或者負壓高溫熔融浸矽堵孔，隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品。對於以SiC為基體CVI用的原料氣體為CH3SiCl3+H2，對於以BN為基體CVI用的原料氣體BC1/BF+NH3+H2，以Al2O3為基體CVI用的原料氣體A1C14+C02+H2，以TiB2為基體CVI用的原料氣體TiCl4+BCl3+H2。所述的預應カ釋放式加工エ序是指沿陶瓷基複合材料粗胚的磨削線進行磨削，磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力，或對陶瓷基複合材料粗胚採取鑽孔法釋放預應力。所述的纖維束筋的製造方法是第一歩，製造芯棒，芯棒採用拉擠成型生產エ藝，纖維採用在2000で左右碳化處理的PAN基碳纖維，或採用浙青系或者纖維素系碳纖維，膠槽中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I : I的重量比混合溶液，或採用聚醚醚酮高殘碳率的聚合物，或者採用聚碳矽烷(PCS)溶液，或採用聚こ烯醇和溫水按I : 5的重量比混合而成的溶液，纖維在模具中固化成型，然後在真空中，1500 2100°C下加熱I小時高溫石墨化處理；第二步，纖維束筋前體通過拉擠成型生產エ藝，纖維採用在1500°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，膠槽中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I :的重量比混合溶液，首先在芯棒成品上纏繞聚四氟こ烯薄膜，然後環向通過纏繞輪纏繞纖維，另ー組浸透膠液的纖維經預成型板同芯棒進入模具固化成型，製成纖維筋前體，而纖維進入模具的方式是編織、纏繞方式進入；如有必要在纖維筋前體的兩端處纏繞纖維，形成端頭增大，便於後續外管的張拉。然後將成型材在真空中，先加熱至300°C加熱使酚醛樹脂初步碳化，然後在1000°C 1500°C下加熱I小時，使酚醛樹脂進ー步碳化，在加熱到400以上溫度過程中，聚 四氟こ烯薄膜逐漸裂解消失，從而外管成型，並且與其內的芯棒存在間隙；第三步，通過對纖維束筋前體外管張拉進入，用錨固環夾住外管端部，張拉外管，即外管伸長，然後保持外管的張拉應力，並在外管管ロ與芯棒頂面之間充填粘結劑，高溫固化粘結劑，然後鬆開外管的張拉，該纖維束筋端部錨固用粘結劑採用酚醛樹脂(PF)/碳化硼(B4C)熱固化粘結劑，或者採用可碳化的熱固性樹脂，在300°C 1000°C加熱固化，然後鬆開張拉製成纖維束筋。上述第二步中，在薄膜裡預先加入石墨微粉作為潤滑剤。上述第二步中，為了防止外管的碳化空隙過大過多以及防止後續CVI法的氣體進入外管與芯棒的間隙，在膠槽中加入陶瓷微粉，如SiC微粉，減少碳化過程的收縮和空隙。上述第二步中，在外管的外表面塗酚醛樹脂並碳化，重複此過程，防止後續CVI法的氣體進入外管與芯棒的間隙。採用上述技術方案的複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料及其製造方法，複合結構預存應カ纖維束筋隸屬於複合結構預存應カ筋中的ー種，為了便於描述，以下暫且稱其為纖維束筋。本發明纖維束筋的結構是由高溫成型的纖維束外管、纖維束芯棒通過耐高溫的粘結劑在兩端錨固構成，其中承受張拉力的外管與其腹中受壓的芯棒構成拉壓平衡體。纖維束筋的結構形式在申請號為201110383561.0的文件中有詳細的說明，不再贅述。纖維束筋的應用增加了預應カ的布置的靈活性、簡便性及其預應カ釋放的易控制性，並且可提供可觀的預應カ值。例如，採用T300S碳纖維(抗拉強度為4. 8GPa)的外管與採用T300S碳纖維(抗壓強度為6. IGPa)的纖維束筋大致可輸出I. 5GPa以上的應力。由於可製造直徑較小的纖維束筋(直徑可小於1_)，則比較柔軟而易彎曲，可以根據陶瓷複合材料受カ情況，按主拉應カ跡線進行布筋，這樣更好地改善結構陶瓷的受力性能，増加陶瓷複合材料的韌性和強度。又由於此預應カ在材料使用溫度區間內受溫度變化影響很小，從而很好的解決以往預應カ技術在瓷基複合材料難以解決的問題。在本發明文中主要說明關於應用到耐高溫結構陶瓷中的纖維束筋的製造方法，採用某些陶瓷基複合材料成型エ藝，使該筋與陶瓷複合，再通過預應カ釋放方法及其後續的成型エ藝。由於陶瓷基複合材料成型時溫度一般達到1000°C以上，在如此高的溫度下，必須要選擇可耐此高溫的纖維材料，而且含有該纖維的纖維束筋處在高溫和高應カ狀態下，不會造成預應カ的損失，從而在解除纖維束筋的自身錨固後才有足夠的預應カ轉移給陶瓷基體。因此在選擇外管和芯棒所用到的纖維材料以及它們成型的介質在高溫下必須滿足力學性能要求，在與基體在化學上和在物理上也都要相客。在外管和芯棒中的纖維材料選擇上，目前可選擇碳纖維，其強度最高可達SGPa以上，在惰性氣氛中，就是在2000°C以上高溫下，仍然具有室溫情況下的強度；可以選擇SiC纖維，其強度最高可達3. 5GPa，使用溫度可達13000C，最高使用溫度在1400°C;可以選擇Al2O3纖維，其強度最高可達3GPa，其強度在空氣中加熱到1000°C 1100°C基本上不變；可以選擇B纖維，其強度最高可達3. 5GPa，且其抗高溫性能也很好；還有其它很多耐高溫高強度的陶瓷纖維可供選擇。在本發明中纖維與介質製成外管和芯棒的方法採用浸透前體物質然後加熱的方法——先驅體轉化法。但在纖維與成束介質的組合中，最好採用氧化物與氧化物的搭配組合，或者非氧化物與非氧化物搭配組合。如果氧化物與非氧化物搭配組合成外管或者芯棒，由於在後續的裂解或者燒結等複合化過程的反應溫度很高，氧化物與非氧化物間反應很強烈，非常有可能導致纖維束特性變差，從而其受カ性能下降。如果確實需要這樣組合，可預先在纖維表面上塗敷BN等反應性小的成分，在一定程度上可防止這種激烈的反應。除了上述方法以外，外管和芯棒還可以採用浸潰介質成分的淤漿或化學氣相浸潰等製造方法9。
對於纖維與介質製成的外管除了耐高溫，其應該具有較高的抗拉強度和一定的彈性模量，這樣單位體積的預存應カ筋會儲存更多的變形能，基材才能得到更大的預應力。外管的強度和彈性模量受熱後影響需小，在室溫和材料成型時的溫度段的強度和弾性模量變化需較小。在由纖維和介質構成的芯棒材料選擇中，芯棒除了耐高溫，在室溫和材料成型時的溫度段的強度和弾性模量變化應較小，還需要較高的抗壓強度，其材料的弾性模量還要比外管材料的彈性模量高，這樣可以減少外管與芯棒的拉壓變形收縮時應カ的降低，從而増加預應カ的儲量。在錨固用粘結劑材料選擇中，首先要耐複合材料成型時的高溫，固化後應具有較高的強度和彈性模量，其強度在正常工作時足以抵抗拉壓體的剪力，且不會跟外管和芯棒反應。因此，錨固用粘結劑可選用高溫無機粘結劑、酚醛樹脂(PF)/碳化硼(B4C)熱固化粘結劑1°及其可高溫碳化的樹脂材料。外管纖維材料可選取在1500°C左右碳化處理後碳纖維，其抗拉強度可達到最大值。隨著碳化溫度升高，強度會降低，但彈性模量隨之升高，20000C以上熱處理可得到更高的彈性模量，因此芯棒可取在2000°C以上溫度碳化的碳纖維11。構成外管和芯棒的介質可採用酚醛樹脂或者聚碳矽烷進行高溫裂解，將連續纖維粘結成束。同樣在選擇製備纖維增強陶瓷基複合材料的方法上，如果選用成型溫度過高的方法，纖維束筋的強度和剛度以及錨固粘結劑粘結強度都會下降，勢必影響纖維束筋對陶瓷基體預應カ的釋放，造成預應カ過大的損失，而影響複合材料的性能。因此本發明考慮採用CVI法，其能在900 1100°C的溫度環境下，製成高緻密度和高純度的SiC陶瓷，化學反應式12-.CH3SiCl3(g) + excess H2(g) 900τ~1100τ > SiC{s) + 3HCl(g) + excess H2(g)由於CVI法製成的碳纖維增強SiC基複合材料在1000°C高溫環境下，與常溫狀態相比，其強度和剛度保持不變13，對粗胚進行磨削或者鑽孔，破壞纖維束筋自身的端部錨固區的錨固，給陶瓷基體施加預壓應力後，再在1000°c左右高溫下進行化學氣相滲積、高溫負壓熔滲或者浸滲樹脂高溫碳化填充外管與芯棒間隙エ序，這ーエ序不會對外管給SiC基施加的預應カ造成損失，進而可以對碳纖維裸露區和外管與芯棒間隙處大膽的進行覆蓋和填充。同樣，CVI法製成的SiC/SiC基複合材料在1000°c高溫環境下，強度和剛度變化較小，因此在化學氣相滲積填充エ序中，對預應カ損失方面影響不大。考慮到纖維束筋屬於長細比很大的結構，壓杆失穩破壞問題需要論證。對於纖維束筋的拉壓結構，外管為拉杆，芯棒為壓杆，雖然外管和芯棒長細比很大，即大柔度杆件，是否會失穩破壞這ー問題，下面做簡略解答。因為拉壓杆失穩破壞的前提是在失穩的臨界荷載下，拉杆和壓杆各自的受カ軸線要開始分離，當荷載超過臨界荷載時，兩者的受カ軸線分開距離就越來越大，直到拉壓杆破壞。而在本發明的纖維束筋拉壓結構中，由於芯棒就在外管的腹腔內，兩者受力後就是接近它們的強度的極限值時，只要兩者的受カ軸線不會分離，拉壓結構就不會出現失穩破壞。除非外管發生爆裂，芯棒受壓被擠出，造成失穩破壞；或者外管同芯棒脫黏分離造成失穩破壞。因此只要讓外管在管體周長方向有足夠強度，就不會出現因失穩破壞狀況；或者外管與芯棒的粘結力足夠強而不分離，也不會出現因失穩破壞狀況。雖然纖維束筋結構不會失穩破壞，但如果外管內表面與芯棒外表面的間隙過大，兩者的拉壓カ軸線分離間距過大時，導致外管與芯棒的偏心距過大，勢必造成一定的偏心力使 外管彎曲，這樣對布筋有所不利。因此在製造纖維束筋時，外管內徑與芯棒的直徑要匹配好。如果外管與芯棒的間隙過大，則造成纖維束筋的過大的彎曲，而影響其使用性能。如果間隙過小，在外管受張拉過程中，內徑變小，造成外管內表面與芯棒表面接觸或者擠壓，摩擦力増大，從而帶動芯棒受張拉，造成外管與芯棒之間的相對伸長差不夠，達不到纖維束筋的預應カ的設定值。因此外管的內外徑和芯棒的直徑必須預先計算和設定好，避免上述問題的出現。纖維束筋的製造方法在申請號為201110383561. O的文件中已經有所說明，比如說穿入法「第三類結構組成的預存應力筋中的一種製造方法將芯棒穿入外管，向外管與芯棒端部的間隙注入一定量的粘結劑，張拉外管，達到預設應カ值，並保持該應カ值。待粘結劑固化後，鬆開外管的張拉，完成製造。」其外管制造是通過拉擠成型後脫去芯模成管，適合長徑比較小的外管制造，但當外管內徑較小以及其長度較長時，將芯棒穿入外管的穿入法就很麻煩。因此本發明採用新的製造方式，首先製造芯棒，通過將浸塗樹脂介質的纖維束經成型孔拉擠成型，再高溫裂解成纖維束芯棒。在芯棒表面塗或者纏繞ー層高溫可揮發的樹脂並固化，然後直接以其為芯模，通過纏繞和拉擠エ藝製造外管，隨後將其置於高溫下裂解成型。因為芯棒已經在管中，無需穿管，即可用張拉設備張拉外管，達到預設應カ值，並保持該應カ值，在外管端部處，擠填粘結劑，升溫固化，達到強度後，鬆開外管的張拉，完成製造。在外管張拉控制應カ方面，如實施例I所述，控制外管的張拉控制應カσ _彡O. 65fpk(fpk為碳纖維外管的標準抗拉強度)，芯棒受壓控制應カ。_彡O. 7fpk(fpk為碳纖維外管的標準抗壓強度)。外管與芯棒的截面面積應儘量相等，其端部錨固長度根據錨固的所需應カ計算確定。在纖維束筋的直徑方面，其直徑範圍一般在O. I 5mm，若直徑過小則増加製造的難度，直徑過大則不宣布筋，因此纖維束筋的直徑要適當。與現有技術相比，本發明的優點在於本發明可通過給基體施加預壓應力，増加了基體從受カ到破壞的應變量，大大推遲了基體裂縫的出現，從而増加了材料的韌性、整體性、可靠性。本發明中的製成纖維束筋因為其為自平衡系統，因此在其弾性範圍裡彎曲，其彎曲度與其自身的直徑和剛度有關，直徑和剛度越小，可彎曲性就越好，因此極大的方便了預應カ的控制、實施和布置。由於預應力的存在，本發明的預應カ增韌和增強方法不同於以往的殘餘應カ增韌和增強的方法，本方法明顯優於後者，並且其應カ值不受溫升的影響，它可以通過較低模量高強度的纖維束筋増加CMC (纖維增強陶瓷基複合材料)的第一韌性，防止基體過早開裂破壞，從而大大的増加材料的整體性、安全性和可靠性。本發明適用於航空太空飛行器、核反應堆壁、燃燒輪機燃燒器等要求高強度、高剛度、耐高溫和抗高溫熱震的結構部件，適用於槍炮管、裝甲車、太空飛行器、內燃機氣缸、制動器材等要求高強度、高剛度、耐高溫和抗衝擊的結構部件。參考文獻I江東亮，李龍土，歐陽世翕，施劍林.中國材料工程大典第8卷無機非金屬材料工程(上)，2006 :202益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典第10卷複合材料エニ程，2006 563益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典第10卷複合材料工程，2006394吳其勝、蔡安蘭、楊亞群，材料物理性能，華東理工大學出版社，2006，105CHUH S, LILLO T H, MCHUGH K M. Coated armor system and process formaking the same :US，20060105183[P] · 2006-05-18.6LEIGHTONK, GARNIER J, ALESHIRE E.Metal-ceramic materials US,20060141237-A1[P], 2006-06-29.7劉桂武等.陶瓷/金屬複合裝甲抗彈約束效應述評，西安交通大學學報.2011，45(3) 9-18胡欣等.穿甲過程中的Dwell現象，材料導報綜述篇，2009.1，23(1) 89株式會社日立製作所.纖維增強複合材料及其製造方法以及用它製成的部件·中國專利:94106807. 2，1995-5-17.10王繼剛，郭全貴，劉朗，宋進仁室溫固化型高溫粘結劑的製備及其性能.新型炭材料，2002. 6，17(2) 20[11]江東亮，李龍土，歐陽世翕，施劍林.中國材料工程大典第9卷無機非金屬材料工程(下)，2006 :5012益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典 第10卷複合材料工程，2006 61013益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典 第10卷複合材料工程，2006 61814楊鳴波，唐志玉.中國材料工程大典第6卷高分子材料工程(上)，20015楊鳴波，唐志玉.中國材料工程大典第7卷高分子材料工程(下)，200

圖I是芯棒拉擠成型生廣不意圖；圖2是纖維束筋前體拉擠成型生產示意圖；圖3是纖維束筋製造示意圖；圖4是纖維束筋三維預製體示意圖；圖5是渦輪陶瓷葉片纖維束筋布筋示意圖6是渦輪陶瓷葉片示意圖；圖7是液體火箭發動機噴管布筋示意圖；圖8是液體火箭發動機噴管示意圖；圖9是無緯纖維束筋層示意圖；圖10是發動機噴管調節片示意圖。在圖中
I-高模量纖維；2_高強度纖維；3_外管；4_芯棒；5_粘結劑；6_纖維束筋；7_伸縮空隙；8-曲線纖維束筋；9_直線纖維束筋；10_磨削線；11_磨削區；12_葉片；13_鳩尾榫附連部分；14-葉片根部；15-反旋螺旋纖維束筋；16-正旋螺旋纖維束筋；17-噴管，紗架18，預成型模19，第一模具20，往復牽引裝置21，第一膠槽22，聚四氟こ烯薄膜23，第二膠槽24，第二模具25，切割機26，預成型板27，纏繞輪28，纖維筋前體29。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明作進ー步闡述。實施例I :首先說明芯棒4的製造方法。芯棒4的製造採用如圖I所示的拉擠成型生產エ藝，圖I是紗架18，預成型模19，第一模具20，往復牽引裝置21，第一膠槽22，高模量纖維I採用在2000°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，第一膠槽22中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I : I的重量比混合溶液，在第一模具20中固化成型，然後在真空中，1800 2100°C下加熱I小時高溫石墨化處理。在這ー過程中，通過改變使用的碳纖維的根數，來改變芯棒4的直徑。用這種方法得到的芯棒4的碳介質的含量，不論直徑的大小都是約60%(體積)左右。第一膠槽22中的成型介質前體物質還可以採用聚醚醚酮等高殘碳率的聚合物，或者採用聚碳矽烷(PCS)溶液，兩者同樣適用於下面所述的外管3的介質。如圖2所示，纖維束筋前體通過拉擠成型生產エ藝，圖2是第二膠槽24，聚四氟こ烯薄膜23，第二模具25，切割機26，預成型板27，纏繞輪28，纖維筋前體29，纖維採用在1500°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，第二膠槽24中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I : I的重量比混合溶液。首先在芯棒4成品上纏繞聚四氟こ烯薄膜23，聚四氟こ烯薄膜23的厚度由外管3張拉後的內徑變化量和外管3裂解的收縮量來計算確定。然後環向通過纏繞輪28纏繞高強度纖維2，另ー組浸透膠液的高強度纖維2經預成型板27同芯棒4進入第二模具25固化成型，製成纖維筋前體29，而高強度纖維2進入模具的方式可以是編織、纏繞等方式進入。如有必要可在纖維筋前，29的兩端處纏繞纖維，形成端頭增大，便於後續外管的張拉。然後將成型材在真空中，先加熱至300°C加熱使酚醛樹脂初步碳化，然後在1000°C 1500°C下加熱I小時，使酚醛樹脂進ー步碳化，在加熱到400°C以上溫度過程中，聚四氟こ烯薄膜23逐漸裂解消失，從而外管3成型，並且與其內的芯棒4存在間隙。為了便於後續外管3的張拉和纖維束筋6預應カ的釋放，可在聚四氟こ烯薄膜23裡預先加入石墨微粉作為潤滑剤。為了防止外管3的碳化空隙過大過多以及防止後續CVI法的氣體進入外管3與芯棒4的間隙，可在第二膠槽24中加入陶瓷微粉，如SiC微粉，減少碳化過程的收縮和空隙。如有必要還可以在外管3的外表面塗酚醛樹脂並碳化，重複此過程，防止後續CVI法的氣體進入外管3與芯棒4的間隙，避免外管3和芯棒4兩者的固結，從而増加纖維束筋6預應カ釋放的可靠性。如圖3所示，通過對纖維束筋前體外管張拉進入如圖3中的製造エ序，通過對纖維束筋前體外管3張拉進入，用錨固環夾住外管3端部，張拉外管3，即外管3伸長，然後保持外管3的張拉應力，並在外管3管ロ與芯棒4頂面之間充填粘結劑，高溫固化粘結劑，然後鬆開外管的張拉，在外管3與芯棒4之間形成伸縮空隙7，該纖維束筋端部錨固用粘結劑5採用酚醛樹脂(PF)/碳化硼(B4C)熱固化粘結劑，在300°C 1000°C加熱固化，然後鬆開張拉製成纖維束筋6。外管3的張拉控制應カo_ SiC{s) + 3HCl{g) + excess H2{g) 其中H2為載氣和稀釋氣體，原料氣罐溫度約24 V，氣體流量設為200L/min，保護氣體採用Ar氣,流量取200L/min,第一次沉積時間為10天。達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，10天後取出，完成粗胚製造エ序。如果未達到要求的密度，可重複進行CVI法增密達到設計要求。然後需對粗胚構件進行預應カ釋放式加工エ序。如果芯棒不需取出，這ーエ序可以從第一次沉積完後開始。圖4所示的預製體所製成的粗胚，則對其任意非平行三面進行磨削，磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力。然後對按理論所需Si量的I. 2倍添加Si微粉，其粉粒度為10 100 μ m,將Si粉與粗胚置於石墨坩堝內。將石墨坩堝置於溫度為1500 1600°C負壓高溫爐內進行熔融浸矽進行填充外管3和芯棒4的間隙，或在充入Ar氣的IOOPa左右的微正壓高溫爐內熔矽浸滲，保溫2小吋。隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品。如果需求隔熱性能的複合材料，可以將所有的芯棒4取出，然後進行上法堵外管3的兩端孔即可，形成空心複合材料。對於一維或者ニ維預製體粗胚，還可以採取鑽孔釋放預應カ的方法。對於以BN為基體CVI用的原料氣體BC1/BF+NH3+H2，以Al2O3為基體CVI用的原料氣體A1C14+C02+H2，以TiB2為基體CVI用的原料氣體TiCl4+BCl3+H2都可以採用如上所述的方法。用纖維束筋6編製成的一維或者ニ維預製體，同樣可以進行上述CVI法製造複合材。如圖5所示為纖維筋剎車片預製體徑向截面圖，圖5是葉片12 ;鳩尾榫附連部分13 ;葉片根部14 ;也是通過上述CVI法，製成陶瓷基粗胚後，對其採取鑽孔法釋放預應力，同時有助於剎車片的散熱，如圖6所示，鑽孔同時可稱為散熱孔。然後對外管3與芯棒4的間隙採取上述所述的高溫熔融浸矽法填充或者堵孔，最後得到成品。實施例2 在實施例I中，所述的纖維束筋的製造，外管3和芯棒4的所有的纖維採用PAN系碳纖維，除此之外還可以採用浙青系或者纖維素系碳纖維，三者還可根據材料的受カ情況進行優化組合。各種系別的纖維選用原則採用類同上述所述，外管3採用最高強度成型溫度的碳纖維，而芯棒4採用超高模量的碳纖維。上述實施例中的外管3和芯棒4的成型介質前體物質採用酚醛樹脂，下面說明使用聚こ烯醇作為成束介質的前體物質。芯棒4的製造採用如圖I所示的拉擠成型生產エ藝，高模量纖維I採用在2000°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，膠槽中的介質前體物質採用聚こ烯醇和溫水按I : 5的重量比混合而成的溶液，在模具中蒸乾水分固化成型。然後在真空中，1500°C 2000°C下加熱I小時，使聚こ烯醇充分碳化。如圖2所示，纖維束筋前體通過拉擠成型生產エ藝，纖維採用在1500°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，膠槽中的成型介質前體物質採用聚こ烯醇和溫水按I : 5的重量比混合而成的溶液。首先在芯棒4成品上纏繞聚四氟こ烯薄膜，薄膜的厚度由外管張拉後的內徑變化量和外管裂解的收縮量來計算確定。然後環向通過纏繞輪纏繞高強度纖維2，另ー組浸透膠液的高強度纖維2經預成型板同芯棒4進入模具固化成型，製成纖維筋前體，如有必要可在纖維筋前體的兩端處纏繞纖維，形成端頭增大，便於後續外管的張拉。然後將成型材在真空中，先加熱至300°C加熱使聚こ烯醇初步碳化，然後在1000°C 1500°C下加熱I小時，使聚こ烯醇進ー步碳化，得到纖維束筋前體，然後進行如同實施例I下面的エ序製成複合材料。 下面說明以SiC為介質的芯棒4和纖維束筋前體成型生產エ藝，膠槽的介質前體物質為聚碳矽烷，接下來的芯棒4成型エ藝與上相同。纖維束筋前體生產エ藝中初步碳化的溫度為350°C，其它步驟同上。用此方法得到的外管3和芯棒4的SiC介質的體積含量在50%左右。該介質的含量可通過改變前體溶液的濃度或浸潰次數加以調整。纖維成束介質不止C和SiC，還有TiC、BN、Si3N4, SiO2, A1203、TiO2和TaO5等前體物質，通過加熱固化，其エ藝與上所述類同，不一一詳述。對於圖I與圖2中的膠槽裡可分別採用上述所述的介質前體物質。纖維除Cタト，還可採用SiC、BN、B、A1203等纖維，纖維和各種介質前體組合加熱複合得到各自對應化合物的介質成分的無機纖維束，還可以一束多種纖維結成束。在纖維與成束介質的組合中，儘量採用氧化物與氧化物的搭配組合，非氧化物與非氧化物搭配組合，如果有必要可預先在纖維表面上塗敷BN等反應性小的成分，在一定程度上可防止高溫反應，避免造成纖維的損傷。對於與上面所述有別的穿入法製造エ藝，其在纖維和成束介質前體物質的使用和組合與上述可基本一致。實施例3 纖維束筋增強的渦輪陶瓷葉片的製備方法，其製備過程如下纖維束筋採用實施例I所述的纖維束筋，將纖維束筋與碳纖維以渦輪陶瓷葉片形狀編製成預製體，其中纖維束筋為主增強筋。預製體的編織必須注意纖維束筋的切削區的位置，其中的一端應處在便於切削和預應カ釋放的位置。如圖5所示，曲線纖維束筋8和直線纖維束筋9根據葉片的所受進行布筋，在本圖中碳纖維未顯示，曲線纖維束筋8和直線纖維束筋9在本圖中只是示意，纖維束筋的一端切削區要處在葉片的端部磨削區11裡，另一端深入渦輪陶瓷葉片尾部(也可以在尾部設立磨削區)。纖維束筋的體積分數在複合材料的所需預應カ計算定出。纖維束筋的體積分數範圍一般在3 60 %。將上述三維預製體放入化學氣相浸滲/沉積爐中，製造SiC基複合材料，沉積溫度為1100 °C，真空度保持在120Pa，原料氣體為CH3SiCl3+H2，其化學反應式有CH3SiCl3(g) + excess H2(g) 900τ~1100τ > SiC(s) + 3HCl{g) + excess H2(g)其中H2為載氣和稀釋氣體，氣體流量設為220L/min，保護氣體採用Ar氣，流量取220L/min，第一次沉積時間為8天。達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，8天後取出，完成粗胚製造エ序。如果未達到要求的密度，可重複進行CVI法增密達到設計要求。然後需對粗胚構件進行預應カ釋放式加工エ序。如圖5所示，沿葉片端部的磨削線10進行磨削，從而磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力。然後對按理論所需Si量的I. 5倍添加Si微粉，其粉粒度為10 ΙΟΟμπι，· Si粉與磨削後的葉片胚體置於石墨坩堝內，葉片胚體倒立在石墨坩堝底面上，使磨削線10面與Si接觸，便於Si粉的熔滲。然後將石墨坩堝置於溫度為1500°C 1600°C負壓高溫爐內進行熔融浸矽進行填充外管3和芯棒4的間隙，或在充入Ar氣的IOOPa左右的微正壓高溫爐內熔矽浸滲，保溫1.5小吋。隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品，如圖6所示。實施例4
纖維束筋增強的液體火箭發動機噴管的製備方法，其製備過程如下纖維束筋採用實施例I所述的纖維束筋，將纖維束筋與碳纖維以液體火箭發動機噴管17形狀編制或者針刺成預製體。預製體的編織必須注意纖維束筋的切削區的位置，其中的一端應處在便於切削和預應カ釋放的位置。如圖7所示，反旋螺旋纖維束筋15和正旋螺旋纖維束筋16(以Z軸的正向為前進方向，順時針旋轉為正旋)為主增強筋，與其編織的碳纖維在本圖中未顯示，各正、反旋筋在噴管17圓周方向分別以中心軸為對稱軸均勻等間距的在噴管17壁內布筋，正、反旋筋的一端切削區必須處在噴管17的同一上端或者下端的磨削區11內。纖維束筋的體積分數在複合材料的所需預應カ計算定出。纖維束筋的體積分數範圍一般在3 60%，為了便於彎曲，纖維束筋的直徑最好在Imm以下。在螺旋布筋方面，為了避免外管3和芯棒4在彎曲時的摩擦カ導致的預應カ過大的損失，纖維束筋的長度應小於臨界長度(在預應カ時，預應力損失等於纖維束筋所存儲預應カ值5%吋，此時纖維束筋的長度)。將上述三維預製體放入化學氣相浸滲/沉積爐中，製造SiC基複合材料，沉積溫度為1100°C，真空度保持在80Pa，原料氣體為CH3SiCl3+H2，其化學反應式有CH3SiCl3(g) + excess H2(g) 900τ~1100τ > SiC(s) + 3HCl{g) + excess H2(g)其中H2為載氣和稀釋氣體，氣體流量設為180L/min，保護氣體採用Ar氣，流量取180L/min，第一次沉積時間為12天。達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，12天後取出，完成粗胚製造エ序。如果未達到要求的密度，可重複進行CVI法增密達到設計要求。然後需對粗胚構件進行預應カ釋放式加工エ序。如圖7所示，沿噴管17上端或者下端的磨削線10進行磨削，從而磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力。然後對按理論所需Si量的I. 2倍添加Si微粉，其粉粒度為10 100 μ m,將Si粉與磨削後的噴管胚體置於石墨坩堝內，噴管胚體倒立在石墨坩堝底面上，使磨削線10面與Si接觸，便於Si粉的熔滲。然後將石墨坩堝置於溫度為1500°C 1600°C負壓高溫爐內進行熔融浸娃進行填充外管3和芯棒4的間隙,或在充入Ar氣的IOOPa左右的微正壓高溫爐內熔娃浸滲，保溫2. 5小吋。隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品，如圖8所示。實施例5 纖維束筋增強的發動機噴管調節片的製備方法，其製備過程如下纖維束筋採用實施例2所述的纖維束筋，將如圖9所示的無緯纖維束筋層與網胎針刺成整體炭氈，無緯纖維束筋層的纖維束筋6的間距及其層間距需根據熱震和氣流對調節片產生的拉應カ進行計算確定。纖維束筋的體積分數在複合材料的所需預應カ計算定出，纖維束筋的體積分數範圍一般在3 60%，纖維束筋的直徑為O. 6mm。將上述炭氈放入沉積爐中，沉積溫度為1100°C，真空度保持在IOOPa左右，原料氣體為CH3SiCl3+H2，其化學反應式有:CH3SiCl3(g)+excess H2(g) 900τ-1100τ > SiC(s) + 3HCl(g) + excess H2(g)其中H2為載氣和稀釋氣體，氣體流量設為200L/min，保護氣體採用Ar氣，流量取200L/min，第一次沉積時間為10天。達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，10天後取出，完成粗胚製造エ序。如果未達到要求的密度，可重複進行CVI法增密達到設計要求。然後需對粗胚構件進行預應カ釋放式加工エ序。如圖10所示，沿調節片兩端部的磨削線10進行磨削，從而磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力。然後對按理論所需Si量的I. 3倍添加Si微粉，其粉粒度為10 100 μ m,將Si粉與調節片磨削後 的一磨削麵與石墨坩堝底面上的Si接觸，然後將石墨坩堝置於溫度為1500°C 1600°C負壓高溫爐內進行熔融浸矽進行填充外管3和芯棒4的間隙，或在充入Ar氣的O 500Pa左右的微正壓高溫爐內熔矽浸滲，保溫I 2小吋。熔滲完後再進行另一面的Si粉的熔滲。隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品。
權利要求
1.一種複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料，其特徵是採用如下方法製成由纖維束筋與纖維編織或者針刺成預製體或者単獨使用纖維束筋編織成預製體，預製體的編織時使纖維束筋的至少其中的一端處在便於切削和預應カ釋放的位置，通過化學氣相浸滲法，製成陶瓷基複合材料粗胚，或採用先驅體轉化工藝、熱壓燒結エ藝、化學氣相浸滲法，或者這三種エ藝聯合使用，然後通過對陶瓷基複合材料粗胚進行磨削或者鑽孔的方法，解除纖維束筋自身的端部錨固，纖維束筋與基體的界面粘結作用給陶瓷基體施加預壓應力；隨後進行1500°C 1600°c負壓高溫熔融浸矽填充外管與芯棒的間隙，或者採用可碳化的熱固性樹脂填充外管與芯棒的間隙，使芯棒參與受力，最後製成成品；或者將芯棒取出，再採用化學氣相沉積法或者負壓高溫熔融浸矽堵孔，然後成型。
2.製造權利要求I所述的複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是將纖維束筋與纖維編織或者針刺成預製體或者単獨使用纖維束筋編織成預製體，預製體的編織時使纖維束筋的至少其中的一端處在便於切削和預應カ釋放的位置，纖維束筋的體積分數在複合材料的所需預應カ計算定出，纖維束筋的體積分數範圍在3 60%，將上述預製體放入化學氣相浸滲/沉積爐中，製造SiC基複合材料，沉積溫度為1000°C 1100°C，真空度保持在50 500Pa，原料氣體的氣體流量為180 220L/min，保護氣體採用Ar氣,流量取180 220L/min,第一次沉積時間為8 12天,達到時間取出並打磨構件表面，打開其孔隙繼續第二次沉積，8 12天後取出，完成陶瓷基複合材料粗胚製造エ序；然後對陶瓷基複合材料粗胚進行預應カ釋放式加工エ序，如果芯棒不需取出，這ーエ序可以從第一次沉積完後開始,完成預應カ釋放式加工エ序後對按理論所需Si量的I. 2 I. 5倍添加Si微粉，其粉粒度為10 100 μ m，將Si粉與陶瓷基複合材料粗胚置於石墨坩堝內使磨削線面與Si接觸，在充入Ar氣的O 500Pa的微正壓條件下將石墨坩堝置於溫度為1500°C 1600°C負壓高溫爐內進行熔融浸矽進行填充纖維束筋的外管3和芯棒4的間隙，保溫I. 5 2. 5小時，或者在纖維束筋的外管3和芯棒4的間隙加入碳的前驅體物質高溫裂解填充間隙，或者將芯棒取出，再採用化學氣相沉積法或者負壓高溫熔融浸矽堵孔，隨後將得到C/SiC複合材料進行機械加工，最後得到成品。
3.根據權利要求2所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是對於以SiC為基體CVI用的原料氣體為CH3SiCl3+H2，對於以BN為基體CVI用的原料氣體BC1/BF+NH3+H2，以Al2O3為基體CVI用的原料氣體A1C14+C02+H2，以TiB2為基體CVI用的原料氣體TiCl4+BCl3+H2。
4.根據權利要求2或3所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是所述的預應カ釋放式加工エ序是指沿陶瓷基複合材料粗胚的磨削線進行磨削，磨除纖維束筋的切削區，釋放纖維束筋的預應力，或對陶瓷基複合材料粗胚採取鑽孔法釋放預應カ。
5.根據權利要求2或3所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是所述的纖維束筋採用下述方法製造 第一歩，製造芯棒，芯棒採用拉擠成型生產エ藝，纖維採用在2000°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，或採用浙青系或者纖維素系碳纖維，膠槽中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I : I的重量比混合溶液，或採用聚醚醚酮高殘碳率的聚合物，或者採用聚碳矽烷(PCS)溶液，或採用聚こ烯醇和溫水按I : 5的重量比混合而成的溶液，纖維在模具中固化成型，然後在真空中，1500 2100°C下加熱I小時高溫石墨化處理； 第二步，纖維束筋前體通過拉擠成型生產エ藝，纖維採用在1500°C左右碳化處理的PAN基碳纖維，膠槽中的成型介質前體物質採用酚醛樹脂和こ醇按I : I的重量比混合溶液，首先在芯棒成品上纏繞聚四氟こ烯薄膜，然後環向通過纏繞輪纏繞纖維，另ー組浸透膠液的纖維經預成型板同芯棒進入模具固化成型，製成纖維筋前體，而纖維進入模具的方式是編織、纏繞方式進入；如有必要在纖維筋前體的兩端處纏繞纖維，形成端頭增大，便於後續外管的張拉；然後將成型材在真空中，先加熱至300°C加熱使酚醛樹脂初步碳化，然後在1000°C 1500°C下加熱I小時，使酚醛樹脂進ー步碳化，在加熱到400°C以上溫度過程中，聚四氟こ烯薄膜逐漸裂解消失，從而外管成型，並且與其內的芯棒存在間隙； 第三歩，通過對纖維束筋前體外管張拉進入，用錨固環夾住外管端部，張拉外管，即外管伸長，然後保持外管的張拉應力，並在外管管ロ與芯棒頂面之間充填粘結劑，高溫固化粘結劑，然後鬆開外管的張拉，該纖維束筋端部錨固用粘結劑採用酚醛樹脂(PF)/碳化硼(B4C)熱固化粘結劑，或者採用可碳化的熱固性樹脂，在300°C 1000°C加熱固化，然後鬆開張拉製成纖維束筋。
6.根據權利要求5所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是上述第二步中，在薄膜裡預先加入石墨微粉作為潤滑剤。
7.根據權利要求5所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是上述第二步中，為了防止外管的碳化後空隙過大過多以及防止後續CVI法的氣體進入外管與芯棒的間隙，在膠槽中加入陶瓷微粉，如SiC微粉，減少碳化過程的收縮和空隙。
8.根據權利要求5所述的製造複合結構預存應カ筋增強陶瓷基複合材料的方法，其特徵是上述第二步中，在外管的外表面塗酚醛樹脂或者其它熱固性樹脂並碳化，重複此過程，防止後續CVI法的氣體進入外管與芯棒的間隙。
全文摘要
本發明公開了一種複合結構預存應力筋增強陶瓷基複合材料及其製造方法。通過化學氣相浸滲法(CVI)，將纖維束筋與纖維編織成預製體或者單獨使用纖維束筋，製成纖維增強陶瓷基複合材料粗胚，然後通過對粗胚進行磨削或者鑽孔的方法，解除纖維筋自身的端部錨固，給陶瓷基體施加預壓應力。隨後進行1500℃～1600℃負壓高溫熔融浸矽填充外管與芯棒的間隙，使芯棒參與受力，最後製成成品。本發明利用纖維束筋布筋的靈活性和簡便性，按主拉應力跡線進行布筋，更好地改善結構陶瓷的受力性能，增加陶瓷複合材料的韌性和強度，解決了連續纖維增強陶瓷基複合材料基體過早開裂的問題。本發明中的纖維束筋突出特點是其適用於多種陶瓷製備工藝。
文檔編號C04B35/80GK102659441SQ201210129460
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者李顯方, 武井祥, 王子國 申請人:中南大學