一种SiC/SiC复合材料变截面U型构件的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种SiC/SiC复合材料变截面U型构件的制备方法。

背景技术

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，是国际公认的航空航天领域热端构件的理想应用材料。近几年，U型构件作为一种典型腹板、缘条结构被广泛应用于飞机的蒙皮结构中，是提高蒙皮刚度的重要构件之一。该结构随蒙皮外形，大多扭曲复杂，具有变截面特征。制造SiC/SiC复合材料变截面U型构件通常有两种方法：一是采用2.5D或3D整体编织的方法，通过设计模具直接在模具上编织得到相应形状的预制体后经过先驱体浸渍裂解工艺致密化得到构件；二是采用平板编织件，通过模压工艺将平板编织件压成U型结构的预制体后经过先驱体浸渍裂解工艺致密化得到构件。

采用2.5D或3D整体编织的方法，通过设计模具直接在模具上编织得到相应形状的预制体后经过先驱体浸渍裂解工艺致密化得到SiC/SiC复合材料变截面U型构件，该方法制备的预制体过程复杂，制备时间长，成本高，不利于工程化应用；采用平板编织件，通过模压工艺将平板编织件压成U型结构的预制体后经过先驱体浸渍裂解工艺致密化得到构件，该方法对纤维损伤较大，且在截面突变处容易产生纤维褶皱，不利于外观以及整体性能。同时，传统模压工艺仅能单向加压，无法对U型结构的所有型面施加压力控型，不利于构件制备的精度与质量。针对SiC/SiC复合材料变截面U型构件的低成本、低损伤、高精度制造方法亟待开发。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种SiC/SiC复合材料变截面U型构件的制备方法，以避免上述现有技术中存在的问题。

一种SiC/SiC复合材料变截面U型构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1模具设计：根据成型工艺特征及构件型面特征设计成型模具；

2铺层：将10～20层SiC纤维机织布铺叠于阳模上并用喷雾胶粘剂将层与层之间粘接，并装上阴模压型，得到变截面U型的铺层纤维布；

3缝合：将模具中的叠层纤维布取下，用SiC纤维对其进行2D缝合，得到变截面U型的2D缝合纤维预制体；

4装模：将变截面U型的2D缝合纤维预制体装入阳模，并组装阴模，用螺栓连接，得到带模具的变截面U型2D缝合纤维预制体。

5界面层制备：将带模具的变截面U型2D缝合纤维预制体放入化学气相沉积炉中制备界面层；

6先驱体浸渍和高温裂解：将制备好界面层的、带模具的变截面U型2D缝合纤维预制体，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，最终使带界面层的变截面U型2D缝合纤维预制体全部淹没于陶瓷先驱体溶液中，浸渍处理24-48h后：将带有变截面U型2D缝合纤维预制体的模具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；

7初步致密化：将步骤6重复3-4次循环后，脱模后得到多孔的变截面U型构件坯体；

8进一步致密化：将变截面U型构件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，最终多孔的变截面U型构件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，待浸渍裂解后的变截面U型构件的重量与浸渍前质量增重率小于1％时，完成变截面U型构件的基体致密化过程，得到致密化的变截面U型构件坯体。

本发明的方法还可以包括：步骤9精加工：将步骤8中致密化的变截面U型构件按照图纸要求进行加工，得到净尺寸的变截面U型构件。

所述步骤1中，模具包含阳模、阴模，阳模为整体模具，阴模依据U型型面分为三块分瓣模具，分别压紧U型型面的底面和两侧。

所述步骤2中，SiC纤维为第二代或第三代国产SiC纤维，SiC纤维机织布为平纹布或缎纹布。

所述步骤3中，缝合密度为1～9针/cm

所述步骤5中，所述界面层为热解碳(PyC)界面层或氮化硼(BN)界面层。

所述步骤6中，所述先驱体溶液为聚碳硅烷溶液或液态聚碳硅烷。

本发明采用2D铺层缝合工艺制备变截面U型构件的纤维预制体，相比于传统编织方案有效降低预制体制备成本，简化工艺复杂度，缩短制备时间，同时可以有效防止变截面处的纤维褶皱，降低纤维损伤。同时，该方法适用范围广，适用于所有结构复杂的SiC/SiC复合材料U型构件。

另外，本发明通过设计分瓣模具，利用螺栓连接锁紧力，使得预制体与模具腔室紧密贴合，实现对U型构件所有型面的压型、控型，避免部分型面于模具腔室内处于自由状态，产生纤维褶皱、弯曲等缺陷，保证构件精度及质量。

附图说明

图1是本发明的工艺的流程图。

图2是本发明方法的实施例中采用的模具的立体结构示意图。

图3是铺层缝合纤维预制体的立体结构示意图。

具体实施方式

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。

如图1中说明的本发明方法的工艺流程所示，本实施例通过设计模具，在阳模上进行纤维布的铺层和缝合，利用阴模定型变截面U型纤维预制体，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变截面U型SiC/SiC复合材料构件，具体包括以下步骤：

1模具设计：根据成型工艺特征及构件型面特征设计成型模具，所述成型模具包括阳模、阴模1、阴模2、阴模3、定位销4及锁紧螺母5，其中阴模1和3分别压紧U型型面的两侧，阴模2压紧U型型面的底面，如图2所示；

2铺层：将14层SiC纤维机织布铺叠于阳模上并用喷雾胶粘剂将层与层之间粘接，并装上阴模压型，得到变截面U型的铺层纤维布，平纹布采用0.5k碳化硅纤维，纤维体积分数为52％，采用喷雾胶粘剂具有操作便捷，室温固化速度快，与模具型面紧固贴合，无杂质引入的优点；

3缝合：将模具中的叠层纤维布取下，用SiC纤维对其进行2D缝合，得到变截面U型的2D缝合纤维预制体，缝合密度为4针/cm

4装模：将变截面U型的2D缝合纤维预制体装入阳模，将阳模和阴模1、阴模2、阴模3组装，用螺栓连接，得到带变截面U型的2D缝合纤维预制体的模具。

5界面层制备：将带变截面U型的2D缝合纤维预制体的模具放入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；

6SiC陶瓷先驱体浸渍和高温裂解：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；将制备好界面层的、带模具的带变截面U型2D缝合纤维预制体，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，最终使带界面层的变截面U型2D缝合纤维预制体全部淹没于陶瓷先驱体溶液中，浸渍处理24h；然后将带有变截面U型2D缝合纤维预制体的模具放入高温裂解炉中，抽真空至50Pa，以10℃/min的升温速率加热到1200℃，保温1h；

7初步致密化：重复步骤6至4次循环后，将变截面U型构件坯体从模具中脱模，得到多孔的变截面U型构件坯体；

8进一步致密化：将变截面U型构件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，最终多孔的变截面U型构件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，重复浸渍-装模-高温裂解-脱模过程，待浸渍裂解后的变截面U型构件的重量与浸渍前质量增重率小于1％时，完成变截面U型构件的基体致密化过程，得到致密化的变截面U型构件坯体；

9精加工：将步骤8中致密化的变截面U型构件按照图纸要求进行加工，得到净尺寸的变截面U型构件，用1200目的水砂纸打磨，之后用无水乙醇将打磨处清洗干净并烘干，完成变截面U型构件的制备。