石英纤维增强石英复合材料浸渍工艺研究
纤维增强复合材料的制备与性能研究
纤维增强复合材料的制备与性能研究一、引言纤维增强复合材料是一种在结构和性能方面都具有优异特点的材料，因此在航空、航天、汽车、船舶和医疗领域等得到广泛应用。
本文将详细介绍纤维增强复合材料的制备和性能研究。
二、纤维增强复合材料的制备1.纤维的选择纤维是制备纤维增强复合材料的重要组成部分，其性能直接影响材料的性能。
常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。
玻璃纤维具有低成本、良好的耐磨性和耐腐蚀性等优点，适合制备一些低强度要求的复合材料。
碳纤维具有良好的强度、刚度、疲劳寿命和高温稳定性，适合制备高强度、高刚度要求的复合材料。
芳纶纤维具有较高的强度和模量、优异的耐热性和耐化学品性，适合制备高性能的复合材料。
2.基体的选择基体是纤维增强复合材料的另一重要组成部分，其作用是固定和支撑纤维。
通常选择热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）作为基体。
这类树脂具有优异的粘接性能和化学稳定性，对纤维的保护效果良好。
同时，可以通过调整树脂的成分和添加剂来改变复合材料的性能。
3.制备方法（1）手工层叠法手工层叠法是制备纤维增强复合材料最基本也最常用的方法之一。
它的主要步骤是将预制好的纤维放置在模具中，再涂上树脂，反复重复这个过程，直到达到所需厚度。
（2）预浸法预浸法是将纤维预先浸渍在树脂中，经过初步固化后再放入模具中进行二次加固。
这种方法可以提高纤维与基体之间的结合强度。
（3）重叠法重叠法是将多层预制好的带有树脂涂层的纤维片重叠在一起，压缩成所需形状，然后进行固化。
（4）自动化生产方法随着科技的发展，自动化生产方法也越来越流行。
其中最常见的方法是采用自动化织机进行生产，该方法具有速度快、质量稳定等优点。
三、纤维增强复合材料的性能研究1.力学性能纤维增强复合材料的强度、刚度和疲劳寿命等力学性能是其最重要的性能之一。
通过实验测试方法可以获得这些性能参数，一般采用拉伸试验、弯曲试验和剪切试验等方法测量不同方向的应力应变曲线，进而计算出复合材料的力学性能参数。
纤维增强复合材料的制备与性能研究
纤维增强复合材料的制备与性能研究随着经济的快速发展和技术的不断更新，人们对于制造出轻量化、高耐久、高强度的材料提出了更高的要求。
其中，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Composites，FRCs）便是一种应用广泛的材料。
纤维增强复合材料是指将纤维和基质有机地结合，形成新的复合材料。
其中，纤维是提供强度和刚度的主要成分，而基质则是提供必要的耐久和韧性。
纤维种类有很多，如碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等，基质也有很多种选择，如环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等。
这种材料由于应用广泛，所以研究也很多，下面我们来看看纤维增强复合材料制备与性能研究的一些方面。
一、制备方法纤维增强复合材料制备方法主要有手工层压法、涂布法、吹塑法等。
其中，手工层压法是最基础的制备方法，在手工层压法中，成品的性能很大程度上取决于手工操作的技术水平。
涂布法则在手工层压法的基础上，引入了自动化涂布和自动化压实机构，大幅提高了生产效率。
吹塑法则更加和传统注塑法相似，只不过将塑料材料换成了FRCs。
除此之外，还有其他制备方法，这里不一一赘述。
二、性能测试纤维增强复合材料的制备面临的一个主要挑战就是如何提高纤维和基质的结合强度。
为了获得更优秀的性能，需要通过相关测试来评估不同材料的性能差异。
如机械性能测试、热性能测试、化学性质测试等。
机械性能测试主要包括拉伸试验、弯曲试验、剪切试验等。
拉伸试验一般选取标准试样来测试纵向的力学性能，而弯曲试验则主要用于测试材料的屈服强度、弯曲强度和模量等。
剪切试验主要用于测试FRCs的剪切强度和剪切模量。
热性能测试包括TG分析、DMA分析等，其中，TG分析主要用于测试小样件在升温和升高温度的基础上损失的质量和其他统计参数。
DMA分析则主要用于测试材料的弹性和物理变形等频繁的动力学响应。
化学性质测试则主要用于评估FRCs的化学稳定性，如耐紫外线性、耐候性、水解性、加热变性和氧化等方面的稳定性。
三、拓展应用相比传统金属材料，纤维增强复合材料拥有许多优越的性能，如高强度、高刚度和低自重等，因此，被广泛应用于航空航天工业、汽车工业、海洋工程、建筑工业等。
纤维增强复合材料的设计与制备研究
纤维增强复合材料的设计与制备研究一、引言近年来，随着工业和科技的发展，纤维增强复合材料在航空、汽车、船舶等领域得到广泛应用。
纤维增强复合材料具有高强度、高模量、重量轻、耐腐蚀等优点，因此受到了广大工程师和研究人员的关注和研究。
二、纤维增强复合材料的概述纤维增强复合材料(Fiber-reinforced composite materials)是由纤维增强剂和基质材料组成的，纤维增强剂通常采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等高强度纤维素材料，而基质材料通常采用树脂、金属等。
纤维增强复合材料具有高度定向性、强度和刚度等高品质，并且能够承受大量重量。
三、纤维增强复合材料的设计纤维增强复合材料的设计是复合材料制备的关键。
在设计时，需考虑到纤维增强剂的定向性和层间的粘着力等问题，以保证复合材料的强度和韧性。
为此，工程师和设计师需要采用一系列的分析技术和软件进行纤维增强复合材料的设计。
四、纤维增强复合材料的制备纤维增强复合材料的制备是通过层叠和热压等多种技术完成的。
在制备时，需要采用特殊的工艺流程和设备，如自动堆栈机、自动热成型机等。
制备纤维增强复合材料需要注意以下几点：1. 准确控制材料的比例和层压序列等参数，以保证复合材料的强度和韧性。
2. 用一定的压力和温度，使纤维增强剂与基质材料浸渍结合，形成整体。
3. 使用特殊的加强工艺，如温度控制工艺，以提高材料的结构合理性和性能。
五、纤维增强复合材料的研究进展随着时间的推移，人们对纤维增强复合材料的研究逐渐深入。
现在有很多针对纤维增强复合材料的研究课题和实验，包括在模拟条件下研究纤维增强复合材料的疲劳性能、开展纤维增强复合材料的电学性能等研究。
六、未来的发展方向纤维增强复合材料将继续成为未来工业发展的焦点。
未来的研究有望突破技术瓶颈，开发更为先进的纤维增强复合材料技术，以提高复合材料的性能和可靠性。
同时，随着社会需求不断增长，纤维增强复合材料有望在汽车、航空、船舶等领域得到更广泛的应用。
石英纤维增强石英陶瓷复合材料制备研究进展
关键词：石英纤维；石英纤维增强石英；SiO2f/SiO2；陶瓷复合材料
图法分类号：TQ174.75
文献标识码： A
文章编号：1000-2278(2019)03-0277-06
The Research Progress in Preparation of Silica Fiber Reinforced Silica Ceramic Composites
1 国外研究进展
早在二十世纪七十年代，为提高石英陶瓷的断 裂韧性和可靠性，美国的Philco-Ford 公司[13]采用 三维石英纤维织物浸渍硅溶胶工艺，研制出密度 为1.62 g/cm3，介电常数和损耗角正切分别为2.88 和0.0061(5.841 GHz)的石英纤维增强二氧化硅复合 材料(3D SiO2f/SiO2)，牌号为AS-3DX，并成功应用 于中远程的“三叉戟”潜地导弹。在此基础上，美 国AMDL实验室[14]又研制出密度为1.55-1.65 g/cm3的
Flexural strength /MPa
Tensile strength /MPa Coefficient of linear thermal expansion (≤ 500 ℃) /×10-6 ℃ Dielectric constant Dielectric loss /×10-3
2019 年 6 月
表1 石英陶瓷与石英纤维增强石英陶瓷复合材料性能[9-12] Tab.1 The properties of the slip-cast fused silica and silica fiber reinforced ceramic composites [9-12]
Properties Density /g/cm3
现代化战争的发展要求导弹向着高速、远距、
针刺石英纤维预制体增强石英陶瓷复合材料的制备研究
玻璃钢 2018年第2期研究报告针刺石英纤维预制体增强石英陶瓷复合材料的制备研究雷景轩，邬浩，赵中坚，石坚波，沈华祥，胡伟，施志伟（上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404）摘要：以针刺石英纤维预制体、硅溶胶等为原料，采用溶胶-凝胶的方法制备了石英纤维增强石英陶瓷复合材料。
研究了热处理温度对纤维形貌和纤维布拉伸性能的影响以及烧结温度对复合材料弯曲强度的影响。
结果表明：石英纤维预制体经丙酮浸泡烘干后,经450℃热处理2h，可以完全去除纤维表面的浸润剂；复合材料经450℃烧结2h，材料弯曲强度为78.5MPa，拉伸强度为31.8MPa，抗压强度为88.8MPa，可以达到天线罩材料力学性能的要求。
1 引言石英陶瓷材料具有良好的抗热冲击性能、低介电常数和低损耗角正切、低膨胀系数，介电常数对频率与温度十分稳定，制造工艺成熟，成本适中等优点，已成为导弹天线罩的主要材料[1-3]。
石英纤维增强石英陶瓷复合材料不仅具有纤维复合材料良好的力学性能和可靠性，同时也保留了石英陶瓷良好的热学性能和电性能，已成为高速导弹天线罩、天线窗的首选材料[4]。
早在20世纪70年代，美国Philc o-Ford公司和General Electric公司便开始了织物增韧二氧化硅基复合材料的研究，制备了3D石英纤维织物增强石英陶瓷复合材料，并已成功应用于美国“三叉戟”潜地导弹[5]。
由于采用2.5D预制体增强石英陶瓷材料制备成本较高，一定程度上限制了其应用。
2.5D或3D石英纤维预制体的整体性能较好，但该预制体需要大量人工辅助编织，制备周期长，价格偏贵。
随着纤维编织技术的发展，石英纤维预制体出现了低成本的针刺预制体结构，使得针刺石英纤维天线罩预制体的制备成本大大降低，从而可显著降低石英纤维增强石英陶瓷复合材料的成本，特别是降低石英纤维增强石英陶瓷复合材料天线罩的成本，为该材料在天线罩领域广泛应用提供了可能。
本研究以石英纤维针刺预制体为增强结构，采用溶胶凝胶工艺制备石英纤维增强石英陶瓷复合材料，研究了热处理温度对石英纤维布拉伸性能的影响、石英纤维预处理工艺、烧结温度对石英纤维增强石英陶瓷复合材料性能的影响。
连续石英纤维增强二氧化硅复合材料研究概况
是目前使用最多的耐高温透波材料ꎮ ＳｉＯ ２ 可以采用
化学稳定性、耐烧蚀性及低线热膨胀系数等特性 [７] ꎮ
不同的形式用作天线罩材料ꎬ其中包括石英陶瓷、二
采用连续石英纤维增强二氧化硅ꎬ既可保留陶瓷基
氧化硅、石英纤维等ꎮ
体的良好特性ꎬ同时又起到了增韧效果ꎬ从而提高其
石英陶瓷是无定形石英的烧结体ꎬ它以石英玻
１ 引 言
增韧ꎮ 纤维增韧陶瓷基复合材料包括连续纤维和短
现代化战争发展使新型导弹逐渐指向更高速、
纤维两种ꎮ 陶瓷基复合材料内部引入颗粒( 晶须)
更远距离、更高精度制导的方向ꎮ 因此ꎬ新型导弹快
和纤维能明显改善陶瓷的脆性ꎬ增强陶瓷基复合材
速发展的同时对头部天线罩材料提出了更苛刻的要
料的韧性、可靠性等ꎮ 但是ꎬ颗粒( 晶须) 及短纤维
的综合性能更为优异ꎮ 人们通过不同的增韧方式提
高石英陶瓷材料的断裂韧性和可靠性ꎮ 陶瓷基透波
复合材料的增韧方式有颗粒( 晶须) 增韧以及纤维
波、防热、承载等三方面的性能要求 [８] ꎬ在高马赫导
应用 [９ꎬ１０] ꎮ
２ ＳｉＯ２ｆ / ＳｉＯ２ 复合材料的研究进展
２ １ ＳｉＯ２ｆ / ＳｉＯ２ 复合材料致密化影响因素
料对于耐热冲击和可靠性的要求 [５] ꎮ 相比之下ꎬ连
续纤维增韧能更有效地降低陶瓷材料的脆性ꎬ提升
陶瓷材料的可靠度ꎬ满足高马赫数导弹对天线罩透
波材料的性能要求 [６] ꎮ
石英纤维是以高纯石英或天然水晶为原料制得
比之下ꎬＳｉＯ ２ 可在高温烧蚀状态下保持良好的性能ꎬ
的一种无机纤维ꎬ具有优异的介电性能、拉伸性能、
强度ꎮ 因此ꎬ连续石英纤维增强二氧化硅复合材料
璃或熔融石英为原材料ꎬ采用陶瓷制造工艺制备而
一种耐高温石英纤维增强二氧化硅基复合材料及其制备方法与应用[
专利名称：一种耐高温石英纤维增强二氧化硅基复合材料及其制备方法与应用
专利类型：发明专利
发明人：张大海,周军,赖文恩,张敬义
申请号：CN201810957466.9
申请日：20180822
公开号：CN108911777A
公开日：
20181130
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种耐高温石英纤维增强二氧化硅基复合材料及其制备方法与应用，属于复合材料技术领域。
所述方法包括：采用单丝表面带有涂层的石英纤维制成织物预制体，其中，涂层中含有水和氧化铝和/或纳米氧化铝颗粒，对制成的织物预制体进行热处理，得到单丝表面带有陶瓷化涂层的织物预制体，浸渍固含量为5～10wt％的铝溶胶，干燥、热处理，得到陶瓷化涂层完全包覆单丝纤维的织物预制体，浸渍硅溶胶，干燥固化、热处理后，得到耐高温石英纤维增强二氧化硅基复合材料。
本发明提供的石英纤维增强二氧化硅复合材料的耐高温能力大幅提高，1200℃拉伸强度从原有的10MPa左右提高到30MPa以上，1200℃高温强度保留率从50％以下提高至80％以上。
申请人：航天材料及工艺研究所,中国运载火箭技术研究院
地址：100076 北京市丰台区南大红门路1号
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：范晓毅
更多信息请下载全文后查看。
石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法
石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法
一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法描述如下：
首先，准备所需的石英纤维编织体和硅溶胶溶液。
石英纤维编织体应具有需要的尺寸和形状，并且具有较好的机械性能和耐热性能。
硅溶胶溶液可以通过将适当比例的硅溶胶和溶剂混合而得到。
溶剂的选择要考虑到其对硅溶胶的成胶时间和成胶性能的影响。
接下来，将石英纤维编织体浸入硅溶胶溶液中。
浸渍时间应根据所需的成胶厚度和硅溶胶的渗透性来确定。
浸渍后，将石英纤维编织体从硅溶胶溶液中取出，确保其表面均匀覆盖有硅溶胶。
然后，将浸渍后的石英纤维编织体放入烘箱中进行干燥。
干燥的温度和时间应根据硅溶胶的特性和成胶要求来确定。
干燥过程中，溶剂会逐渐蒸发，硅溶胶开始成胶。
过程中可适当调节烘箱的通风和温度，以促进成胶过程的进行。
最后，将已经成胶的石英纤维编织体放入高温炉中进行烧结处理。
烧结温度和时间要根据硅溶胶的特性和要求来确定。
烧结后，硅溶胶会转变为硅酸盐组分，与石英纤维编织体结合在一起，形成坚固的复合材料。
通过以上步骤，石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型过程完成。
最终得到的复合材料具有较好的机械性能、耐热性能和化学稳定性，适用于各种高温和腐蚀环境下的应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
石英纤维增强石英复合材料浸渍工艺研究
作者：沈华祥
来源：《现代盐化工》2018年第02期
摘要：浸渍工艺是溶胶一凝胶工艺制备石英纤维增强石英复合材料中的重要技术，浸渍的效率和浸渍程度对于产品的周期和产品的性能有着重要的影响。
文章简要介绍了硅溶胶的浸渍过程及机理，综述了影响浸渍效率和浸渍程度的因素，包括编织体结构、硅溶胶浓度、浸渍压力等，并对浸渍工艺的优化进行了展望。
关键词：复合材料；二氧化硅；石英纤维
1 石英纤维增强石英陶瓷复合材料发展概述
为满足现代化战争发展的需要，新型导弹向高速、远距和高精度制导等方面发展，人们对天线罩材料提出了更高的要求，要求其不仅要具有良好的电性能，而且还要具有良好的力学性能。
石英陶瓷具有良好的电性能、低热膨胀系数和导热系数，己成为战术导弹主要的天线罩材料。
但是，石英陶瓷材料是典型的脆性材料，这极大地限制了其实际应用和可靠性。
根据未来导弹天线罩发展的要求，纤维增强陶瓷基复合材料和氮化硅基复合材料己成未来最重要的高速导弹天线罩材料。
石英纤维增强石英复合材料与石英玻璃的表面熔融温度大致相等，大约为1 735℃，在载入气动加热条件下力学性能优良，是高马赫数导弹天线罩的理想材料。
目前部分国家己实现其在导弹型号上的应用，如美国己成功将其应用于“三叉戟”潜地导弹的研发。
因此，石英纤维增强石英陶瓷复合材料因其良好电性能、热学性能及力学性能等，己成为未来导弹天线罩的首选材料之一。
石英纤维增强石英陶瓷复合材料一般采用溶胶一凝胶工艺制备，即石英纤维预制体通过反复浸渍硅溶胶工艺制备。
制备石英纤维增强石英复合材料具有众多优点，譬如工艺简单、可加工性强等，但是，工艺中存在浸渍效率低以及浸渍程度不足等缺点。
2 硅溶胶的浸渍过程及机理
硅溶胶的浸渍过程可描述为：硅溶胶通过孔隙进入编织体内部（对于编织体而言，硅溶胶是通过一层而到达下一层的）。
理论上硅溶胶应该逐渐扩散到整个编织体内部，直至完全浸透编织体。
但事实上这个浸渍过程是很难实现的，用逾渗理论可以很好地解释浸渍不完全的原因。
硅溶胶在预制体的浸渗是先在编织体表面附近的网络通路中随机形成连接或不连接的键，然后以不同的通路逐步向内扩展。
当在某一时刻，连接键的浓度达到逾渗的阈值时，就会出现无限扩张的逾渗集团。
即当编织体大部分的孔隙被硅溶胶填满后（达到逾渗阈值），剩余的孔隙的浸渍会变得更加困难。
3 影响浸渍效率和浸渍程度的因素
3.1编织体结构
编织体在复合材料中起着骨架的作用，是主要的承载组分。
复合材料内孔隙主要是不完全浸渍的结果，系由浸渍液未能充分填充编织体内部纤维束间、束内空隙所致。
不同工艺条件下的编织体其孔隙率、孔隙大小以及孔隙形状都不同。
李伟等Ⅲ通过对三维四向、三维五向以及2.5 D编织体进行表征，得出浸渗能力取决于编织体平均贯穿孔的大小，而不是孔隙率的多少。
陈朝辉则认为编织结构复杂的三维编织体浸渍难度较大，因为其孔隙形状复杂。
譬如墨水瓶结构（孔道小，孔腔大）的孔，如果前期浸渍过程中孔腔填充度不够，通道一旦闭合就会就会留下无法填充的孔隙。
3.2 硅溶胶浓度
硅溶胶在复合材料中起着骨架的作用，浸渍过程就是硅溶胶不断在织物内部空间填充，将纤维束乃至纤维单丝包裹起来，连成一体。
姜凯等采用3种黏度的浸渍液去浸渍编织体，结果发现黏度适中的浸渍液浸渍效果最佳。
黏度低的浸渍液不但毛细血管作用不强，而且在干燥过程中浸渍液由于重力流出而损失，导致最终产品的气孔率最大。
黏度大的浸渍液前期浸渍效果优异，但是后期浸渍效果不理想，这主要是因为随着浸渍的进行，编织体内部的孑L隙越来越小，浸渍阻力越来越大，高黏度溶液不容易渗透到内部的孔隙中或者需要更长的渗透时间，从而影响到浸渍效果，导致材料的致密度较难提高。
徐道新对5种浸渍工艺进行对比：30%质量分数硅溶胶浸渍5次，40%质量分数硅溶胶浸渍5次，50%质量分数硅溶胶浸渍5次以及梯度浸渍方式（50%质量分数1次，40%2次，30%2次），结果表明梯度浸渍下的样品性能最优。
采用梯度浸渍，不但可以在浸渍的前几个周期拥有很高的浸渍效率和浸渍程度，而且在后期的浸渍过程中不会因为硅溶胶黏度大而影响剩余小孔隙的填充。
3.3辅助浸渍工艺
在有限的时间内，由于逾渗作用，编织体的浸渍程度会受到很大的影响。
为了提高浸渍程度，在工艺上应当采取一些辅助方法。
段永涛指出真空机制下，在很短的时间内可以在浸渍物的表面形成一层高浓度区，与其内部形成了高浓度梯度，为浸渍过程提供了良好的动力条件。
姜凯等分析了不同压力下浸渍的效果，结果表明：3 MPa浸渍压力下材料密度最低，这说明压力还不足以打开内部的闭气孔，也难以克服溶液在内部微孔中的粘滞阻力，浸渍液无法填充编织体内部的孔隙。
当浸渍压力达到5 MPa时，外部压力可以克服部分粘滞阻力，从而浸渍溶液进入编织体内部的深度得到提高。
当浸渍压力提升到6 MPa时，从密度情况来看，外部压力有效地打开了内部的闭气孔，很好地克服了溶液在纤维内部微孔的粘滞阻力，使得浸渍效果有效地提高。
但是随着浸渍压力的继续
提高，最终的材料密度也不再显著增加，这可能因为：（l）压力升高导致流速增加，摩擦损失的功大，导致实际有效压力并不是随着外加压力的增加而呈线性增加；（2）随着浸渍过程的进行，编织体浸渍程度的提高所需要的压力呈指数型增长。
徐道新比较了抽真空浸渍和加压浸渍的效果，第一次浸渍过程中真空浸渍的效果要优于加压浸渍，这是因为浸渍时编织体内部有大量的气泡附着在纤维表面，不抽真空的话无法将其排除。
第二次浸渍过程中加压浸渍要优于真空浸渍，这是因为硅溶胶易在界面处凝胶，对浸渍过程有着阻碍作用，加压浸渍可以使得基体表面的凝胶层脱落。
3.4其他影响因素
石英纤维表面的浸润剂不但影响复合材料的介电性能，也会影响石英纤维的浸润性。
廉云清等采用有机溶剂配合热处理的方式来去除浸润剂，这种工艺不但可以去除浸润剂，而且石英纤维没有受到过多的损伤，石英纤维的浸润性能优秀。
除此之外，硅溶胶中的杂质、编织体干燥方式都会影响浸渍效率，并且影响最终产品的致密化程度。
4结语
现有的浸渍工艺仍然存在着浸渍周期长、致密化程度不高等缺点。
浸渍过程的前3个周期浸渍效率最高，如何在尽量短的周期内将编织体致密化是需要解决的问题。
从以上分析可以看出，浸渍工艺的优化可以从以下几方面研究：（1）制备稳定、低黏度以及高固含量的硅溶胶；（2）浸渍的后半周期采用高压设备进行浸渍；（3）浸渍饱和后通过加入添加剂使硅溶剂平衡状态被破坏从而原位凝胶；（4）快速干燥技术；（5）制备在空间性能和孔隙结构都均匀的编织体。