阅读说明：本技术 一种高致密度石英/石英复合材料及其制备方法 (High-density quartz/quartz composite material and preparation method thereof ) 是由 郏保琪 李�瑞 黄慧 张雄军 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高致密度石英/石英复合材料及其制备方法,该制备方法包括石英纤维编织物预处理；对石英纤维编织物数次真空浸渍和微波真空干燥；陶瓷化处理,最终得到石英/石英复合材料。本发明提供的制备方法制备周期短、工艺简单易操作、成本低,适用于大厚度纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料的制备；该制备方法制备得到的复合材料致密度高、均匀性好、力学性能优异,可应用于天线罩及其他航空航天领域。(The invention discloses a high-density quartz/quartz composite material and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the steps of pretreating a quartz fiber braided fabric; carrying out vacuum impregnation and microwave vacuum drying on the quartz fiber braided fabric for several times; and performing ceramic treatment to finally obtain the quartz/quartz composite material. The preparation method provided by the invention has the advantages of short preparation period, simple process, easy operation and low cost, and is suitable for preparing the large-thickness fiber reinforced silicon dioxide ceramic composite material; the composite material prepared by the preparation method has high density, good uniformity and excellent mechanical property, and can be applied to the fields of antenna covers and other aerospace.)

一种高致密度石英/石英复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及其制备技术领域，尤其是一种高致密度石英/石英复合材料及其制备方法。

背景技术

石英纤维增强石英陶瓷复合材料(石英/石英复合材料)是一种具有隔热透波、较高的机械强度和较低的介电常数与损耗、耐冲击、低密度等一系列优异的综合性能的复合材料，广泛用于高温透波及隔热等领域，是制作雷达天线罩的主要优选材料。

目前，石英/石英复合材料主要采用溶胶-凝胶工艺制备，即石英纤维编织物通过反复多次浸渍硅溶胶工艺制备。由于硅溶胶溶液质量分数一般较低，且浸渍效率低，采用该方法制备石英/石英复合材料时，反复多次浸渍凝胶陶瓷化的方法通常需要十几甚至几十次的浸渍与干燥过程，材料制备周期长、成本大。特别地，经过多次致密化浸渍后，硅溶胶难以通过再次浸渍进入复合材料内部孔隙，特别是对于厚度相对较大(≧25mm)的石英纤维编织物，导致材料密度难以提高，使得复合材料存在致密度低、均匀性差、力学性能不足等缺点。

发明内容

本发明提供一种高致密度石英/石英复合材料及其制备方法，用于克服现有技术中对于厚度相对较大的石英纤维编织物，导致材料密度难以提高，使得复合材料存在致密度低、均匀性差、力学性能不足等缺陷，实现制备不同石英纤维编织物厚度，尤其是石英纤维编织物厚度大的复合材料的密度高，制备得到的复合材料致密度高、均匀性好、力学性能优异。

为实现上述目的，本发明提出一种高致密度石英/石英复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将石英纤维编织物置于有机溶剂中浸泡处理，晾干；

S2：将经过步骤S1的石英纤维编织物进行真空浸渍和微波真空干燥，重复真空浸渍和微波真空干燥过程数次；

S3：将经过步骤S2的石英纤维编织物进行陶瓷化处理以得到二氧化硅基体，最终得到石英/石英复合材料。

为实现上述目的，本发明还提出一种高致密度石英/石英复合材料，所述复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为40～47％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的高致密度石英/石英复合材料的制备方法，首先对石英纤维编织物进行浸泡处理，以去除纤维表面的尘埃、有机体等杂质；然后对石英纤维编织物进行多次真空浸渍和微波真空干燥过程，最后进行陶瓷化处理，将硅溶胶转化为二氧化硅，得到石英/石英复合材料。本发明提供的制备方法，在石英纤维编织物经过预处理与真空浸渍硅溶胶后，采用微波真空干燥工艺进行干燥，通过该干燥工艺，复合材料能够快速均匀加热，且材料内部可形成三维均匀泡孔骨架结构，该结构有助于再浸渍时硅溶胶进入材料内部，从而进一步提高材料密度并减小材料密度梯度，同时可减少致密化次数。本发明提供的制备方法制备周期短、工艺简单易操作、经济环保，适用于大厚度纤维增强二氧化硅陶瓷复合材料的制备。

2、采用本发明提供的制备方法制备得到的复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为40～47％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。同时该复合材料致密度高、均匀性好、力学性能优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的高致密度石英/石英复合材料制备方法的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。

本发明提出一种高致密度石英/石英复合材料的制备方法，参见图1，包括以下步骤：

S1：将石英纤维编织物置于有机溶剂中浸泡处理，以去除石英纤维编织物表面的尘埃、有机体等杂质，浸泡完成后晾干备用；

所述石英纤维编织物的编织方式为2.5D编织或三维多向编织。

所述石英纤维编织物厚度根据实际使用需要将石英纤维编织物编织为合适的形状和尺寸。

优选地，所述步骤S1中，所述有机溶剂为丙酮、无水乙醇和二甲苯中的至少一种。

优选地，所述浸泡处理的时间为3～5h，重复浸泡3次，以保证石英纤维编织物表面的尘埃、有机体等杂质去除干净。

S2：将经过步骤S1的石英纤维编织物进行真空浸渍和微波真空干燥，重复真空浸渍和微波真空干燥过程数次；

优选地，所述真空浸渍的浸渍剂为质量分数18～30wt％的硅溶胶溶液，优选22％。采用真空注入硅溶胶溶液的方式注入硅溶胶溶液。采用微波真空干燥法制备二氧化硅基体，由于硅溶胶溶液中溶剂均匀分布(溶剂均匀分布，即没有团聚沉淀，不会导致制备的基体材料出现严重的密度梯度)，因此所制备的二氧化硅基体较为均匀，且在相对较低的温度下微波真空干燥即可完成致密化的过程，能够保护石英纤维编织物不受损害，具有近尺寸成型的优点。

优选地，所述真空浸渍的时间为12～16h，优选16h，温度为室温。

优选地，所述微波真空干燥的微波频率为2.35GHz，真空度为0.01～10000Pa，微波功率为2～30kW，通过调节微波功率控制温度为30～100℃，时间为20～30min；优选微波频率为2.35GHz、真空度10～1000Pa、调节微波功率控制温度75℃条件下干燥25min，保证材料不开裂。

优选地，所述真空浸渍、微波真空干燥过程需重复进行3～6次，直至不再增重为止。通过多次进行真空浸渍、微波真空干燥过程，将二氧化硅基体引入到所述石英纤维编织物中，达到一定的致密度，形成高致密度的石英纤维编织物增强-二氧化硅陶瓷复合材料。

S3：将经过步骤S2的石英纤维编织物进行陶瓷化处理以得到二氧化硅基体，最终得到石英/石英复合材料。

优选地，所述步骤S3中，所述陶瓷化处理为在2h内将温度从室温升温至800℃，之后在800℃下保温烧结1～1.5h，随炉冷却至室温后取出。烧结温度设定为800℃是在保证生成的是二氧化硅陶瓷基体的前提下，最大限度的减轻高温对石英纤维编织物增强体的损伤，使得石英纤维编织物增强体起到更明显的增强效果。升温速率采用2h从室温升温至800℃，材料内部与外表面受热较为均匀，避免产生热应力而导致裂纹的产生。

本发明提供的制备方法在石英纤维编织物经过预处理与真空浸渍硅溶胶后，采用微波真空干燥工艺进行干燥，通过该干燥工艺，复合材料能够快速均匀加热，且材料内部可形成三维均匀泡孔骨架结构，该结构有助于再浸渍时硅溶胶进入材料内部，从而进一步提高材料密度并减小材料密度梯度，并减少致密化次数，得到密度均匀的增强型石英/石英复合材料。本发明提供的制备方法，制备周期短、工艺简单易操作、经济环保。

本发明还提出一种高致密度石英/石英复合材料，所述复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为40～47％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。经大量试验验证，增强相采用的石英纤维编织物的体积分数为40％～47％时，复合材料具有优良的力学强度与耐高温性，能够很好地满足石英/石英复合材料在天线罩及其他航空航天领域的应用需求。同时，该复合材料致密度高、均匀性好、力学性能优异。

优选地，所述复合材料的密度为1.60～1.70g/cm³，弯曲强度为63.0～72.0MPa。

实施例一

本实施例提供一种高致密度石英/石英复合材料，所述复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为43％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。

本实施例还提供一种高致密度石英/石英复合材料制备方法，包括以下步骤：

S1：将30mm厚的2.5D结构石英纤维编织物置于有机溶剂丙酮中浸泡，每次浸泡时间为5h，重复浸泡3次，浸泡完成后晾干；

S2：将经过步骤S1的石英纤维编织物置于浸渍罐中进行5次真空浸渍和微波真空干燥过程；

所述真空浸渍的浸渍剂为硅溶胶质量分数22wt％的硅溶胶溶液，浸渍时间14h，室温下进行；

所述微波真空干燥为在微波频率2.35GHz、真空度10～1000Pa、温度75℃条件下干燥25min；

S3：将经过步骤S2的石英纤维编织物进行陶瓷化处理，设定烧结条件2h从室温升温到800℃，保温烧结1h，随炉冷却至室温后取出，得到石英/石英复合材料。

本实施例制备得到的复合材料的密度为1.67g/cm³，弯曲强度为68.4MPa，表明该产品致密度高、力学性能优异，且制备得到的复合材料密度差距小，表明该复合材料均匀性好。

实施例二

本实施例提供一种高致密度石英/石英复合材料，所述复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为47％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。

本实施例还提供一种高致密度石英/石英复合材料制备方法，包括以下步骤：

S1：将25mm厚的2.5D结构石英纤维编织物置于有机溶剂丙酮与二甲苯混合液中浸泡，每次浸泡时间为3h，重复浸泡3次，浸泡完成后晾干；

S2：将经过步骤S1的石英纤维编织物置于浸渍罐中进行6次真空浸渍-微波真空干燥过程；

所述真空浸渍的浸渍剂为硅溶胶质量分数18wt％的硅溶胶溶液，浸渍时间16h，室温下进行；

所述微波真空干燥为在微波频率2.35GHz、真空度10～1000Pa、温度70℃条件下干燥20min；

S3：将经过步骤S2的石英纤维编织物进行陶瓷化处理，设定烧结条件2h从室温升温到800℃，保温烧结1h，随炉冷却至室温后取出，得到石英/石英复合材料。

本实施例制备得到的复合材料的密度为1.64g/cm³，弯曲强度为63.2MPa，表明该产品致密度高、力学性能优异，且制备得到的复合材料密度差距小，表明该复合材料均匀性好。

实施例三

本实施例提供一种高致密度石英/石英复合材料，所述复合材料以石英纤维编织物为增强相，以二氧化硅为基体；所述复合材料中石英纤维编织物的体积分数为40％；所述复合材料可应用于天线罩及其他航空航天领域。

本实施例还提供一种高致密度石英/石英复合材料制备方法，包括以下步骤：

S1：将35mm厚的三维多向结构石英纤维编织物置于有机溶剂无水乙醇中浸泡，每次浸泡时间为5h，重复浸泡3次，浸泡完成后晾干；

S2：将经过步骤S1的石英纤维编织物置于浸渍罐中进行3次真空浸渍-微波真空干燥过程；

所述真空浸渍的浸渍剂为硅溶胶质量分数30wt％的硅溶胶溶液，浸渍时间12h，室温下进行；

所述微波真空干燥为在微波频率2.35GHz、真空度10～1000Pa、温度80℃条件下干燥30min；

S3：将经过步骤S2的石英纤维编织物进行陶瓷化处理，设定烧结条件2h从室温升温到800℃，保温烧结1.5h，随炉冷却至室温后取出，得到石英/石英复合材料。

本实施例制备得到的复合材料的密度为1.69g/cm³，弯曲强度为71.8MPa，表明该产品致密度高、力学性能优异，且制备得到的复合材料密度差距小，表明该复合材料均匀性好。

对比例一

本对比例提供一种溶胶-凝胶法制备的石英/石英复合材料，石英/石英复合材料包含增强相和基体；所述增强相为石英纤维编织物，所述基体为二氧化硅。本实施例中石英纤维体积分数为43％。

本对比例提供的石英/石英复合材料的溶胶-凝胶制备方法，包括以下步骤：

(1)将30mm厚的2.5D结构石英纤维编织物置于有机溶剂丙酮中浸泡，每次浸泡时间为5h，重复浸泡3次，浸泡完成后晾干；

(2)将上述预处理后的石英纤维编织物放入浸渍罐，引入质量分数为22％的硅溶胶溶液进行真空浸渍16h，浸渍完成后于70℃下凝胶化36h，完成一次致密化过程，重复致密化过程12次，致密化过程结束后将石英纤维编织物增强体放入高温马弗炉进行陶瓷化处理，设定烧结条件2h从常温升温到800℃，保温烧结1h，随炉冷却至室温后取出，得到石英/石英复合材料。

本对比例制备得到的复合材料的密度为1.49g/cm³，弯曲强度为31.7MPa。

表1为实施例一～三制备得到的复合材料和对比例一制备得材料性能对比表。从表可知，采用本发明提供的制备方法制备得到的复合材料致密度更高、力学性能更优异。

表1对比例一和实施例一～三制备得到的复合材料性能对比表

样品	密度(g/cm<sup>3</sup>)	弯曲强度(MPa)
			实施例一	1.67	68.4
实施例二	1.64	63.2
			实施例三	1.69	71.8
对比例一	1.49	31.7

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。