复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料及其制造方法

摘要

本发明公开了一种复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料及其制造方法。通过化学气相浸渗法(CVI)，将纤维束筋与纤维编织成预制体或者单独使用纤维束筋，制成纤维增强陶瓷基复合材料粗胚，然后通过对粗胚进行磨削或者钻孔的方法，解除纤维筋自身的端部锚固，给陶瓷基体施加预压应力。随后进行1500℃～1600℃负压高温熔融浸硅填充外管与芯棒的间隙，使芯棒参与受力，最后制成成品。本发明利用纤维束筋布筋的灵活性和简便性，按主拉应力迹线进行布筋，更好地改善结构陶瓷的受力性能，增加陶瓷复合材料的韧性和强度，解决了连续纤维增强陶瓷基复合材料基体过早开裂的问题。本发明中的纤维束筋突出特点是其适用于多种陶瓷制备工艺。

主权项

一种复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料，其特征是：采用如下方法制成：由纤维束筋与纤维编织或者针刺成预制体或者单独使用纤维束筋编织成预制体，预制体的编织时使纤维束筋的至少其中的一端处在便于切削和预应力释放的位置，通过CVI法，制成陶瓷基复合材料粗胚，然后通过对陶瓷基复合材料粗胚进行磨削或者钻孔的方法，解除纤维束筋自身的端部锚固，纤维束筋与基体的界面粘结作用给陶瓷基体施加预压应力；随后进行1500℃～1600℃负压高温熔融浸硅填充外管与芯棒的间隙，或者采用可碳化的热固性树脂填充外管与芯棒的间隙，使芯棒参与受力，最后制成成品；或者将芯棒取出，再采用化学气相沉积法或者负压高温熔融浸硅堵孔，然后成型；所述的纤维束筋采用下述方法制造：第一步，制造芯棒，芯棒采用拉挤成型生产工艺，纤维采用在2000℃碳化处理的PAN基碳纤维，或采用沥青系或者纤维素系碳纤维，胶槽中的成型介质前体物质采用酚醛树脂和乙醇按1:1的重量比混合溶液，或采用聚醚醚酮高残碳率的聚合物，或者采用聚碳硅烷（PCS）溶液，或采用聚乙烯醇和温水按1:5的重量比混合而成的溶液，纤维在模具中固化成型，然后在真空中，1500～2100℃下加热l小时高温石墨化处理；第二步，纤维束筋前体通过拉挤成型生产工艺，纤维采用在1500℃碳化处理的PAN基碳纤维，胶槽中的成型介质前体物质采用酚醛树脂和乙醇按1:1的重量比混合溶液，首先在芯棒成品上缠绕聚四氟乙烯薄膜，然后环向通过缠绕轮缠绕纤维，另一组浸透胶液的纤维经预成型板同芯棒进入模具固化成型，制成纤维筋前体，而纤维进入模具的方式是编织、缠绕方式进入；在纤维筋前体的两端处缠绕纤维，形成端头增大，便于后续外管的张拉；然后将成型材在真空中，先加热至300℃加热使酚醛树脂初步碳化，然后在1000℃～1500℃下加热l小时，使酚醛树脂进一步碳化，在加热到400℃以上温度过程中，聚四氟乙烯薄膜逐渐裂解消失，从而外管成型，并且与其内的芯棒存在间隙；第三步，通过对纤维束筋前体外管张拉进入，用锚固环夹住外管端部，张拉外管，即外管伸长，然后保持外管的张拉应力，并在外管管口与芯棒顶面之间充填粘结剂，高温固化粘结剂，然后松开外管的张拉，该纤维束筋端部锚固用粘结剂采用酚醛树脂/碳化硼热固化粘结剂，或者采用可碳化的热固性树脂，在300℃～1000℃加热固化，然后松开张拉制成纤维束筋。