石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法
阅读说明：本技术 石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法 (Silica sol dipping composite forming method for quartz fiber braided body ) 是由 刘俊君 佘平江 郭培江 张雨葳 任海成 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法,属于航天材料制备工艺技术领域。它包括采用缝合工艺制备编织体,将编织体置于酸改性的硅溶胶中,在真空振动条件下浸渍处理,这种处理方式通过负压环境增加了硅溶胶液进入编织体的外部动力,同时依靠振动将表面硅溶胶颗粒去除,避免硅胶颗粒在编织体表面堆积,在形成较小密度梯度的条件下,进一步提高浸渍动力,使得制备的复合材料性能较好。(The invention discloses a silica sol dipping composite forming method of a quartz fiber braided body, belonging to the technical field of aerospace material preparation processes. The method comprises the steps of preparing a woven body by adopting a sewing process, placing the woven body in acid modified silica sol, and carrying out dipping treatment under a vacuum vibration condition, wherein the external power of the silica sol liquid entering the woven body is increased by the treatment mode through a negative pressure environment, and meanwhile, surface silica sol particles are removed by means of vibration, so that the silica gel particles are prevented from being accumulated on the surface of the woven body, and the dipping power is further improved under the condition of forming a small density gradient, so that the prepared composite material has good performance.)
技术领域
本发明涉及一种浸渍工艺，属于航天材料制备工艺技术领域，具体地涉及一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法。
背景技术
石英复合陶瓷具有密度低、强度高、透波性能良好等特点，在航空航天领域得到广泛的应用，石英复合陶瓷已经成为天线罩、天线窗口等产品的常用材料体系。石英复合陶瓷天线罩、天线窗口的成型工艺很多，如浸渍成型、模压成型、注浆成型等。其中，硅胶-浸渍成型工艺因设备简单、操作便捷、产品抗烧蚀性能好等优点，成为常用方法之一。
通过浸渍复合成型制备石英复合陶瓷天线罩、天线窗口等石英复合陶瓷产品，需要将以特定方法编织的石英纤维编织体，通过预处理、重复多次硅溶胶浸渍、干燥或热处理，得到陶瓷坯料，加工至特定尺寸后经后续处理得到最终产品。在重复多次浸渍过程中，每一次浸渍后编织体孔隙率都会降低，这是因为硅溶胶通过孔隙进入编织体内部，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很难实现，用逾渗理论可以很好解释浸渍不完全得原因。硅溶胶在预制体得渗透是先在编织体表面附近得网络通路中随机形成连接或不连接得键，然后以不同得通路逐步向内扩展，当在某时刻，连接键得浓度达到逾渗得阈值时，就会出现无限扩张的逾渗集团。进而使后续浸渍增重率降低，且由于硅溶胶不稳定及浸渍渗透较差等因素影响，硅溶胶容易在编织体表层凝胶堆积，导致浸渍效果较差，并产生较大密度梯度，影响产品电学性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，该成型方法使得浸渍复合增重效率相对更高、产品密度梯度相对较小，制得的复合材料性能更加优异。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，它包括如下工艺步骤：
1)加工编织体：采用缝合工艺将石英布制成平板、回转体锥形或椭球体形状的编织体；
2)水煮及干燥：将步骤1)中所述编织体置于处于沸腾状态的高纯水中12～16h，取出后在120～150℃条件下干燥10～12h；
3)焙烧：将步骤2)干燥后编织体在500±20℃下有氧焙烧3～4h；
4)浸渍处理：取步骤3)处理后编织体置于浸渍罐内，所述浸渍罐内抽真空至相对负压环境，保压2～3h；
向酸性硅溶胶中加入酸调配至pH为1.8～2.2，并将其加热至70～80℃，得预处理后硅溶胶，利用所述浸渍罐内负压环境将所述预处理后硅溶胶转移至所述浸渍罐内至所述预处理后硅溶胶液面高出所述编织体4cm以上，且在转移过程中仍要保持所述浸渍罐内负压环境不变；
将所述浸渍罐置于85～90℃的水浴条件下，保持所述浸渍罐内负压环境，直至硅溶胶变为凝胶状态；
5)干燥及振动：取步骤4)处理后浸渍罐在保持罐内负压环境下，在190～200℃下干燥20～24h；然后置于振动平台上振动1～2h；
6)重复上述步骤4)和5)至少两次；
7)取出编织体，清理表面凝胶颗粒，以2～3℃/min升温至700～800℃，保温2～3h后，降温至室温取出。
进一步地，步骤1)中，所述缝合方式为采用两层母向无纬布+一层环向无纬布交替铺层，达到20mm后继续贯穿缝合形成整体织物。
进一步地，其特征在于，缝合针距为5±0.5mm，缝合线规格为190tex/195tex×4。本申请采用缝合方式制备编织体，不仅有利于保证复合材料强度，同时还有利于后续硅溶胶的浸渍。
进一步地，步骤4)中，所述酸为乙酸。本申请采用酸性硅溶胶并使用乙酸进行改性，有利于提高其高温稳定性，避免过早凝胶影响胶液浸渍。
进一步地，步骤4)中，所述相对负压环境为压强是-0.09MPa～-1Mpa。
进一步地，步骤4)中，所述相对负压环境为压强是-0.01MPa～-0.1Mpa。本申请采用真空振动浸渍法，通过抽真空的方式，排除编织体内部空气，增加胶液进入编织体的动力，使得胶液能够进入编织体的微小孔隙，同时，通过振动的方式，有利于提高胶液自身动能，进而提高浸渍效率。
进一步地，步骤4)中，所述预处理后硅溶胶与所述编织体间浸渍比为(2～4):1。
进一步地，步骤4)中，所述预处理后硅溶胶与所述编织体间浸渍比为2.5:1。该浸渍比结合真空处理环境有利于增加硅溶胶进入编织体内部的动力。
进一步地，步骤5)中，所述振动平台上的振动时效机的转速设为2000～2500rpm。
此外，本申请还可采用多次浸渍复合方式，使得编织体一直处于负压环境中，靠振动将表面硅溶胶颗粒去除，使胶液进入编织体的动力最大化，避免硅溶胶在编织体表面凝胶堆积，在较大密度梯度前提下进一步提高胶液进入编织体的外部动力。
有益效果：
1、本发明设计的硅溶胶浸渍成型方法有利于提高石英纤维编织体的浸渍效率，进一步保证材料的性能。
2、本发明设计的硅溶胶浸渍成型方法适用于特定形状的编织体，如平板、回转体锥形或椭球体形状，有利于保证产品表面及内部密度梯度较小，进而保证各力学性能及电学性能稳定。
具体实施方式
为解决背景提到的技术问题，本发明公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法。具体技术方案如下实施例。
实施例1
本实施例公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，它包括如下工艺步骤：
1)加工编织体：采用缝合方式将石英布制成平板形编织体；其中，所述缝合方式的工艺参数如下表1所示；
表1具体缝合工艺参数列表
2)水煮及干燥：将步骤1)中所述编织体置于处于沸腾状态的高纯水中16h，取出后在150℃条件下干燥12h；
3)焙烧：将步骤2)干燥后编织体在520℃下有氧焙烧4h；
4)浸渍处理：取步骤3)处理后编织体置于浸渍罐内，所述浸渍罐内抽真空至相对负压环境且压强为-0.09MPa，保压3h；
向酸性硅溶胶中加入乙酸调配至pH为2.2，并将其加热至90℃，得预处理后硅溶胶，利用所述浸渍罐内负压环境将所述预处理后硅溶胶转移至所述浸渍罐内至所述预处理后硅溶胶液面高出所述编织体4cm，且在转移过程中仍要保持所述浸渍罐内负压环境不变；
将所述浸渍罐置于80℃的水浴条件下，保持所述浸渍罐内负压环境，直至硅溶胶变为凝胶状态；
5)干燥及振动：取步骤4)处理后浸渍罐在保持罐内负压环境下，在200℃下干燥24h；然后置于振动平台上振动2h；
6)重复上述步骤4)和5)两次；
7)取出编织体，清理表面凝胶颗粒，以3℃/min升温至800℃，保温3h后，降温至室温取出。
实施例2
本实施例公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，它包括如下工艺步骤：
1)加工编织体：采用缝合方式将石英布制成回转体锥形编织体；其中，所述缝合方式的工艺参数如下表2所示；
表2具体缝合工艺参数列表
2)水煮及干燥：将步骤1)中所述编织体置于处于沸腾状态的高纯水中12h，取出后在120℃条件下干燥10h；
3)焙烧：将步骤2)干燥后编织体在480℃下有氧焙烧3h；
4)浸渍处理：取步骤3)处理后编织体置于浸渍罐内，所述浸渍罐内抽真空至相对负压环境且压强为-0.01MPa，保压2h；
向酸性硅溶胶中加入乙酸调配至pH为1.8，并将其加热至88℃，得预处理后硅溶胶，利用所述浸渍罐内负压环境将所述预处理后硅溶胶转移至所述浸渍罐内至所述预处理后硅溶胶液面高出所述编织体4cm，且在转移过程中仍要保持所述浸渍罐内负压环境不变；
将所述浸渍罐置于70℃的水浴条件下，保持所述浸渍罐内负压环境，直至硅溶胶变为凝胶状态；
5)干燥及振动：取步骤4)处理后浸渍罐在保持罐内负压环境下，在190℃下干燥20h；然后置于振动平台上振动1h；
6)重复上述步骤4)和5)两次；
7)取出编织体，清理表面凝胶颗粒，以2℃/min升温至700℃，保温2h后，降温至室温取出。
实施例3
本实施例公开了一种石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，它包括如下工艺步骤：
1)加工编织体：采用缝合方式将石英布制成椭球体编织体；其中，所述缝合方式的工艺参数如下表3所示；
表3具体缝合工艺参数列表
2)水煮及干燥：将步骤1)中所述编织体置于处于沸腾状态的高纯水中14h，取出后在135℃条件下干燥11h；
3)焙烧：将步骤2)干燥后编织体在500℃下有氧焙烧3.5h；
4)浸渍处理：取步骤3)处理后编织体置于浸渍罐内，所述浸渍罐内抽真空至相对负压环境且压强为-0.1MPa，保压2.5h；
向酸性硅溶胶中加入乙酸调配至pH为2.0，并将其加热至90℃，得预处理后硅溶胶，利用所述浸渍罐内负压环境将所述预处理后硅溶胶转移至所述浸渍罐内至所述预处理后硅溶胶液面高出所述编织体4cm，且在转移过程中仍要保持所述浸渍罐内负压环境不变；
将所述浸渍罐置于70℃的水浴条件下，保持所述浸渍罐内负压环境，直至硅溶胶变为凝胶状态；
5)干燥及振动：取步骤4)处理后浸渍罐在保持罐内负压环境下，在195℃下干燥22h；然后置于振动平台上振动1.5h；
6)重复上述步骤4)和5)两次；
7)取出编织体，清理表面凝胶颗粒，以2.5℃/min升温至750℃，保温2h后，降温至室温取出。
对比例1
与上述实施例3不同的是酸性硅溶胶未作任何处理，其它均保持相同。
对比例2
与上述实施例3不同的是常温常压下浸渍处理。
对比例3
与上述实施例3不同的是缺少步骤6)，其它均保持相同。
上述实施例及对比例制得材料的性能列表如下表4所示；
表4实施例及对比例制得材料的性能列表
由上述表1可知，采用本发明设计的石英纤维编织体的硅溶胶浸渍复合成型方法，可以显著提高产品的密度，弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度等力学性能，与此同时，导热导电性也得到明显提升，且性能较稳定，这有利于扩展产品适用范围。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。