一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法

摘要

一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，本发明涉及一种复合材料的制备方法。本发明是要解决现有技术制备的磷酸盐基复合材料在超高温1700℃条件下的力学性能还不能满足工作需要的问题。方法：一、制备纤维处理剂；二、制备磷酸二氢铝溶液；三、制备固化剂；四、制备磷酸盐基体；五、制备复合材料。本发明在磷酸盐基体中添加高耐热碳化物氧化铝、碳化钛、碳化钽，极大增加了复合材料的耐热性能。本发明用于制备一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法。

背景技术

航空航天事业的快速发展必然要求有满足其发展所需要的高性能材料，速度高、工作 时间长、环境恶劣是飞行器未来发展的主要特点，如导弹高温系统材料、火箭发动机喷嘴 等均要求耐高温材料的工作温度高于1500℃。陶瓷材料具有优异电气性以及耐热性，但 脆性大，损伤容限低、成品率低，且工艺复杂，成本高，尤其在进行飞行器异型构件制作 时，更近一步限制其应用。因此，目前性能优良及生产工艺简单的磷酸盐基复合材料成为 耐高温材料的首选体系，但现有技术制备的磷酸盐基复合材料在超高温1700℃条件下的 力学性能还不能满足工作需要。

发明内容

本发明是要解决现有技术制备的磷酸盐基复合材料在超高温1700℃条件下的力学性 能还不能满足工作需要的问题，而提供的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备 方法。

一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、制备纤维处理剂：按重量份数称取100份~110份质量分数为70%的醋酸锆溶液、 5份~15份质量分数为28%~29%的氨水和20份~40份去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨 水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：按重量份数称取100份~110份质量分数为85%的磷酸溶 液、25份~45份氢氧化铝粉末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶 液，将混合溶液升温至90℃~110℃保持3h~4h，升温速度为10℃/h~20℃/h，得到磷酸二 氢铝溶液；

三、制备固化剂：按重量份数称取50份~100份粒径为75nm~155nm氧化铝、10份 ~30份粒径为100nm~150nm碳化钛和10份~30份粒径为20nm~95nm碳化钽，将氧化铝、 碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：1~3；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡10min~20min 取出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠 层放置，再放入热压机中，在压力为0.1MPa~10MPa条件下，控制升温速度为10℃/h ~20℃/h，升温至180℃保持2h~7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材 料。

本发明的有益效果是：本发明在磷酸盐基体中添加高耐热碳化物氧化铝、碳化钛、碳 化钽，其中碳化钛熔点3160℃，碳化钽熔点3880℃，极大增加了复合材料的耐热性能， 所制备的复合材料耐超高温性能提高到1700℃，常温条件下的弯曲强度达到100MPa以 上，1700℃条件下弯曲强度达到20MPa以上。

本发明用于制备一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的 任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法， 具体是按照以下步骤进行的：

一、制备纤维处理剂：按重量份数称取100份~110份质量分数为70%的醋酸锆溶液、 5份~15份质量分数为28%~29%的氨水和20份~40份去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨 水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：按重量份数称取100份~110份质量分数为85%的磷酸溶 液、25份~45份氢氧化铝粉末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶 液，将混合溶液升温至90℃~110℃保持3h~4h，升温速度为10℃/h~20℃/h，得到磷酸二 氢铝溶液；

三、制备固化剂：按重量份数称取50份~100份粒径为75nm~155nm氧化铝、10份 ~30份粒径为100nm~150nm碳化钛和10份~30份粒径为20nm~95nm碳化钽，将氧化铝、 碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：1~3；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡10min~20min 取出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠 层放置，再放入热压机中，在压力为0.1MPa~10MPa条件下，控制升温速度为10℃/h ~20℃/h，升温至180℃~190℃保持2h~7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基 复合材料。

其中，步骤五中石英纤维为购买所得。本实施方式在磷酸盐基体中添加高耐热碳化物 氧化铝、碳化钛、碳化钽，其中碳化钛熔点3160℃，碳化钽熔点3880℃，极大增加了复 合材料的耐热性能，所制备的复合材料耐超高温性能提高到1700℃，常温条件下的弯曲 强度达到100MPa以上，1700℃条件下弯曲强度达到20MPa以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按重量份数称取 102份~108份质量分数为70%的醋酸锆溶液、8份~10份质量分数为28%~29%的氨水和 30份去离子水。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中按重量份数 称取102份~105份质量分数为85%的磷酸溶液、30份~40份氢氧化铝粉末。其它与具体 实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中混合溶 液升温至100℃保持3.5h。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中升温速 度为12℃/h~18℃/h。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中称取粒 径为80nm~120nm氧化铝和粒径为25nm~50nm碳化钽。其它与具体实施方式一至五之一 相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中称取粒 径为121nm~150nm氧化铝。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中称取粒 径为51nm~90nm碳化钽。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中浸泡 12min~18min取出。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中在压力 为5MPa~8MPa条件下，控制升温速度为12℃/h~18℃/h，升温至182℃~188℃保持4h~5 h。其它与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤 进行的：

一、制备纤维处理剂：称取100g质量分数为70%的醋酸锆溶液、10g质量分数为29% 的氨水和30g去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤 维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：称取100g质量分数为85%的磷酸溶液、25g氢氧化铝粉 末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶液，将混合溶液升温至110℃ 保持4h，升温速度为20℃/h，得到磷酸二氢铝溶液；

三、制备固化剂：称取100g粒径为80nm~120nm氧化铝、30g粒径为100nm~150nm 碳化钛和30g粒径为25nm~50nm碳化钽，将氧化铝、碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固 化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：1；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡20min取 出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠层 放置，再放入热压机中，在压力为10MPa条件下，控制升温速度为20℃/h，升温至180℃ 保持7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的力学性能测试结果如下表 所示：

测试温度 常温 600℃ 800℃ 1000℃ 1200℃ 1500℃ 1700℃ 弯曲强度/MPa 120 80 75 50 40 30 20

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料固化后放入高温炉中，以 10℃/min的升温速度升温至1700℃，保温30min，热失重率为9%；本实施例制备的磷酸 盐基复合材料依据GB1449-83《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试标准，测得其 介电常数为4.0GHz、介电损耗角正切值tgδ为0.04GHz。

实施例二：

本实施例一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤 进行的：

一、制备纤维处理剂：称取100g质量分数为70%的醋酸锆溶液、10g质量分数为29% 的氨水和30g去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤 维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：称取100g质量分数为85%的磷酸溶液、25g氢氧化铝粉 末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶液，将混合溶液升温至110℃ 保持4h，升温速度为20℃/h，得到磷酸二氢铝溶液；

三、制备固化剂：称取100g粒径为121nm~150nm氧化铝、30g粒径为100nm~150nm 碳化钛和30g粒径为25nm~50nm碳化钽，将氧化铝、碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固 化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：3；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡20min取 出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠层 放置，再放入热压机中，在压力为10MPa条件下，控制升温速度为20℃/h，升温至180℃ 保持7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的力学性能测试结果如下表 所示：

测试温度 常温 600℃ 800℃ 1000℃ 1200℃ 1500℃ 1700℃ 弯曲强度/MPa 137 106 105 70 65 54 32

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料固化后放入高温炉中，以 10℃/min的升温速度升温至1700℃，保温30min，热失重率为8.5%；本实施例制备的磷 酸盐基复合材料依据GB1449-83《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试标准，测得 其介电常数为4.0GHz、介电损耗角正切值tgδ为0.04GHz。

实施例三：

本实施例一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤 进行的：

一、制备纤维处理剂：称取100g质量分数为70%的醋酸锆溶液、10g质量分数为29% 的氨水和30g去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤 维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：称取100g质量分数为85%的磷酸溶液、25g氢氧化铝粉 末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶液，将混合溶液升温至110℃ 保持4h，升温速度为20℃/h，得到磷酸二氢铝溶液；

三、制备固化剂：称取100g粒径为80nm~120nm氧化铝、30g粒径为100nm~150nm 碳化钛和30g粒径为51nm~90nm碳化钽，将氧化铝、碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固 化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：3；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡20min取 出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠层 放置，再放入热压机中，在压力为10MPa条件下，控制升温速度为20℃/h，升温至180℃ 保持7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的力学性能测试结果如下表 所示：

测试温度 常温 600℃ 800℃ 1000℃ 1200℃ 1500℃ 1700℃ 弯曲强度/MPa 170 140 110 100 85 46 30

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料固化后放入高温炉中，以 10℃/min的升温速度升温至1700℃，保温30min，热失重率为6.7%；本实施例制备的磷 酸盐基复合材料依据GB1449-83《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试标准，测得 其介电常数为4.0GHz、介电损耗角正切值tgδ为0.04GHz。

实施例四：

本实施例一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤 进行的：

一、制备纤维处理剂：称取100g质量分数为70%的醋酸锆溶液、10g质量分数为29% 的氨水和30g去离子水；向醋酸锆溶液中加入氨水，再加入去离子水，混合均匀，得到纤 维处理剂；

二、制备磷酸二氢铝溶液：称取100g质量分数为85%的磷酸溶液、25g氢氧化铝粉 末；向磷酸溶液中加入氢氧化铝粉末，混合均匀得到混合溶液，将混合溶液升温至110℃ 保持4h，升温速度为20℃/h，得到磷酸二氢铝溶液；

三、制备固化剂：称取100g粒径为121nm~150nm氧化铝、30g粒径为100nm~150nm 碳化钛和30g粒径为51nm~90nm碳化钽，将氧化铝、碳化钛和碳化钽混合均匀，得到固 化剂；

四、制备磷酸盐基体：将步骤二得到的磷酸二氢铝溶液和步骤三得到的固化剂放入容 器中，混合均匀，得到磷酸盐基体，其中，磷酸二氢铝溶液和固化剂的质量比为1：3；

五、制备复合材料：将石英纤维放置在步骤一得到的纤维处理剂中，浸泡20min取 出，室温干燥，再将步骤四制备的磷酸盐基体涂刷在石英纤维表面，然后将石英纤维叠层 放置，再放入热压机中，在压力为10MPa条件下，控制升温速度为20℃/h，升温至180℃ 保持7h，热压成型得到一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料。

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料的力学性能测试结果如下表 所示：

测试温度 常温 600℃ 800℃ 1000℃ 1200℃ 1500℃ 1700℃ 弯曲强度/MPa 106 70 48 40 35 30 20

本实施例制备的一种耐超高温1700℃磷酸盐基复合材料固化后放入高温炉中，以10 ℃/min的升温速度升温至1700℃，保温30min，热失重率为10%；本实施例制备的磷酸 盐基复合材料依据GB1449-83《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试标准，测得其 介电常数为4.0GHz、介电损耗角正切值tgδ为0.04GHz。