[发明专利]莫来石纤维增强硅酸镁陶瓷基复合材料成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料，尤其是涉及一种低成本高性能莫来石纤维增强硅酸镁陶瓷基复合材料成型方法。

背景技术

Mg₂SiO₄(Forsterite)是地慢中的主要成分，常被称为镁橄榄石，由于其熔点较高，晶型稳定，制品可获得良好的高温性能，因此被广泛应用在钢铁、有色冶炼及玻璃等行业(任强，武秀兰.合成堇青石陶瓷材料的研究进展.中国陶瓷，2000，(6)：23-26)，同时，其具有低的介电常数，高的Qf值，相比Al₂O₃陶瓷，具有低的烧结温度，原料丰富便宜，也常作为电子电路中的基版材料，是目前低介电常数材料研究中的热点(H.OhsatoT.Tsunooka，A.Kan，Y.Ohishi，Y.Miyauehi.Mierowave Milliimeterwave Dielectric Materials.Key Eng.Mater，2004；269：195-198)。

合成硅酸镁主要成分为MgO和SiO₂，其最佳烧成温度为1300～1400℃。在这一温度范围内烧成后制得的硅酸镁轻质材料有较高的气孔率，气孔平均孔径＜10μm，且分布均匀，材料的耐压强度可达40～50MPa，是一种高强度的轻质耐火材料(胡莉敏，李楠.原位分解制备高强度轻质镁橄榄石材料.耐火材料/NA IHUO CA ILIAO，2005，39(4)：283-285)。硅酸镁具有较低的介电损耗，可被用作毫米波长的介电材料(杜勇慧，张铁臣，苏作鹏.镁橄榄石和顽辉石的高温高压合成.高压物理学报，2006，20(3)：281-28)；其次，硅酸镁陶瓷具有较强的抗弯曲强度和较高的韧性，可用作生物陶瓷(Siyu N，i Lee Chou，JiangChang[J].CeramicsInternational，2007，33：83-88)。

虽然硅酸镁陶瓷类材料具有较多的优异性能和很大的发展潜力，但是作为陶瓷材料本身的脆性大和可靠性差等致命弱点又阻碍其实用化。为提高陶瓷韧性，在最近20年里，人们在实验和理论研究方面做了大量工作，在多种增韧途径中，纤维增强陶瓷基复合材料最引人注目：一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的抗热震冲击能力；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点(李专，肖鹏，熊翔.连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展.粉末冶金材料科学与工程，2007(2)：13-19)。

纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法主要有以下几种(何新波，杨辉，张长瑞，周新贵.连续纤维增强陶瓷基复合材料概述.材料科学与工程，2002(2)：273-278)：

(1)浆料浸渍-热压法，将纤维浸渍在含有基体粉料的浆料中，然后通过缠绕将浸有浆料的纤维制成无纬布，经切片、叠加、热模压成型和热压烧结后制得复合材料。浆料一般由基体粉料、有机粘结剂、有机溶剂和烧结助剂组成。由于基体软化温度较低，可使热压温度接近或低于陶瓷软化温度，利用某些陶瓷(如玻璃)的粘性流动来获得致密的复合材料。此方法主要用于玻璃和低熔点陶瓷基复合材料。

(2)化学反应法，将反应气体渗入纤维预制体中，发生反应并沉积在纤维之间形成陶瓷基体，最终使预制体中空隙全部被基体陶瓷充满，从而形成致密的复合材料。该方法的不足之处主要在于：设备较复杂、制备周期长、不适合制备厚壁部件、复合材料残余孔隙率较高，从而影响复合材料性能。

(3)熔体渗透(浸渍)法，在外加载荷作用下，通过熔融的陶瓷基体渗透纤维预制体并与之复合，从而得到复合材料制品。该方法的缺点在于陶瓷熔点较高，在浸透过程中容易损伤纤维和导致纤维与基体间发生界面反应；陶瓷熔体的粘度远大于金属的粘度，因此陶瓷熔体很难浸透。

(4)溶胶-凝胶法，是利用溶胶浸渍增强骨架，然后再经热解而制得的复合材料。其主要缺点在于：由于醇盐的转化率较低且收缩较大，因此复合材料的致密性较差，不经过多次浸渍很难达到致密化；由于它是利用醇盐水解而制得陶瓷基体，因此此工艺仅限于氧化物陶瓷基体。

(5)先驱体转化法，是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的一种方法。该法的主要缺点在于：致密周期较长，制品的孔隙率较高；基体密度在裂解前后相差很大，致使基体的体积收缩很大(可达50％～70％)；由于增强材料的骨架牵制着基体的体积收缩，因此在基体内部容易产生裂纹和气孔，破坏了复合材料的整体性，并最终影响复合材料的性能。

发明内容