石英纤维增强石英陶瓷复合材料的致密化方法

摘要

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种石英纤维增强石英陶瓷复合材料的致密化方法。分别称量高含氢硅油、正硅酸乙酯、去离子水、催化剂和石英粉于水浴中搅拌，得到浸渍液；把干燥至恒重的石英纤维增强石英陶瓷复合材料浸入浸渍液中，真空处理后复合材料和浸渍液一同置入恒温恒湿干燥箱内，继续浸渍后再进行固化，即得。本发明制备方法科学合理，简单易行，便于实施，显著提高了材料的密度和压缩强度，致密化后材料的介电常数和介质损耗角正切基本无变化。低温处理时对材料的拉伸强度和弯曲强度影响不大。

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种石英纤维增强石英陶瓷复合材料的致密化 方法。

背景技术

石英纤维增强石英陶瓷基复合材料既保留了石英陶瓷基体所具备的热膨胀系数小、强度 高和热稳定性好等优点，又有效克服了脆性陶瓷基体对裂纹和热冲击的敏感性，目前已经在 多种型号上得到了应用。立体编织结构的石英纤维增强石英陶瓷复合材料制备成本高、生产 周期长，因此在某些领域可以用低成本的针刺结构石英纤维增强陶瓷基复合材料取代立体编 织结构的复合材料。

针刺结构的编织体与立体编织结构相比，气孔率高、层间结合较弱，因此与石英基体复 合后无论强度还是致密化程度都有一定的差距。弥补这一缺陷，改善针刺结构石英纤维复合 材料的性能，扩宽其应用范围十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种石英纤维增强石英陶瓷复合材料的致密化方法，采用该方法致 密化后的复合材料密度和压缩强度都得到了显著提高，介电常数和损耗角正切基本无变化， 低温处理时对材料的拉伸强度和弯曲强度影响不大。

本发明所述的石英纤维增强石英陶瓷复合材料的致密化方法，步骤如下：

(1)浸渍液的制备

分别称量高含氢硅油、正硅酸乙酯、去离子水、催化剂和石英粉于水浴中搅拌，得到浸 渍液，浸渍液的粘度控制在150-200mPa·s；

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维增强石英陶瓷复合材料浸入浸渍液中，真空处理后复合材料和 浸渍液一同置入恒温恒湿干燥箱内，继续浸渍后再进行固化，即得。

步骤(1)中所述的高含氢硅油、正硅酸乙酯、去离子水、催化剂和石英粉的质量比为 100：0-5：0-10：0.02-0.75：0-4。浸渍液的原料优选由正硅酸乙酯、去离子水或石英粉中的 一种或几种与高含氢硅油和催化剂组成。

步骤(1)中所述的催化剂为氯铂酸、有机锡或醋酸镍中的一种。

步骤(1)中所述的石英粉为熔融石英粉，纯度≥99.9％，粒径为10-13微米。

步骤(1)中所述的水浴温度为35-40℃，搅拌时间为4-6小时。

步骤(1)中所述的搅拌后静置14-18小时取上部清液作为浸渍液。

步骤(2)中所述的真空处理的时间为20-60分钟，真空度≤-0.08MPa。

步骤(2)中所述的干燥箱中的温度为30-60℃，继续浸渍时间为2-8小时。

步骤(2)中所述的固化温度为160-220℃，固化时间为10-16小时。

步骤(2)中所述的固化后经过300-500℃的高温处理。

步骤(2)中所述的石英纤维增强石英陶瓷复合材料是多次复合且用原浸渍料已无法再增 重的针刺结构石英纤维增强石英陶瓷复合材料，具体制备工艺参照专利201310566136.4。

本发明使用的主要原料规格如下：

高含氢硅油：粘度26-28mm²/s，密度0.995-1.015g/cm³，含氢量1.56-1.65％

正硅酸乙酯：TEOS，分析纯，SiO₂含量≥28％

氯铂酸：分析纯，市售

有机锡：分析纯，市售，西亚试剂(xiya reagent)

六甲基硅胺烷：分析纯，含量98％

熔融石英粉：纯度99.9％，粒径10-13微米。

本发明是利用高含氢硅油表面张力低、渗透力强且分解后可形成纳米级SiO₂颗粒的特点 对复合材料进行填充，从而实现材料的致密化。通过调整固化温度、高温处理温度及保温时 间控制浸渍液的固化率，进而达到控制高含氢硅油分解产物与原基体颗粒、颗粒与纤维之间 的结合力的目的，使得材料在致密化的同时，纤维的增韧作用没有衰减。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明制备方法科学合理，简单易行，便于实施，显著提高了材料的密度和压缩强度， 致密化后材料的介电常数和介质损耗角正切基本无变化。低温处理时对材料的拉伸强度和弯 曲强度影响不大。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

(1)浸渍液的制备

分别称量384g高含氢硅油、2.88gTEOS、38.4g去离子水、2.88g有机锡催化剂和15.36g 石英粉于35℃的水浴中搅拌6小时后粘度为186mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.08MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入30℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍4小时后升温至160℃进行凝胶固化，固化时间为10小时。将处理完毕的试样 清理表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度可提高16.9％；耐压强度为58.1MPa，与原始耐压强 度34.9MPa相比，增幅达66.48％；弯曲强度为43.2MPa，与原始弯曲强度30.5MPa相比，增 幅达41.64％；拉伸强度为16.2MPa，与原始拉伸强度16.6MPa相比基本变化不大。

实施例2

(1)浸渍液的制备

分别称量400g高含氢硅油、4.8gTEOS、20g去离子水、0.08g醋酸镍催化剂和10.00g石 英粉于40℃的水浴中搅拌4小时后粘度为173mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.10MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入60℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍2小时后升温至220℃进行凝胶固化，固化时间为14小时。将固化后的试样置 于马弗炉内进行300℃热处理，自然冷却至室温后清理样品表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度提高了13.5％；耐压强度为54.5MPa，与原始耐压强 度(34.9MPa)相比提高了56.16％；弯曲强度为27.9MPa，与原始弯曲强度(30.5MPa)相比 下降了8.5％。

实施例3

(1)浸渍液的制备

分别称量200g高含氢硅油、6.0gTEOS、20g去离子水、1.20g有机锡催化剂和8.00g石 英粉于40℃的水浴中搅拌5小时后粘度为200mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.08MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入50℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍6小时后升温至200℃进行凝胶固化，固化时间为12小时。将固化后的试样置 于马弗炉内进行500℃热处理，自然冷却至室温后清理样品表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度可提高15.9％；耐压强度为68.5MPa，与原始耐压强 度(34.9MPa)相比，增幅达96.28％；弯曲强度为26.5MPa，与原始弯曲强度(30.5MPa)相 比下降13.1％，拉伸强度为14.8MPa，与原始拉伸强度(16.6MPa)相比下降了10.8％。

实施例4

(1)浸渍液的制备

分别称量200g高含氢硅油、14.03g去离子水和0.04g氯铂酸催化剂于38℃的水浴中搅拌 4小时后室温静置14小时后取上层清液，粘度为164mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.08MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入40℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍8小时后升温至160℃进行凝胶固化，固化时间为16小时。将固化后的试样置 于马弗炉内进行400℃热处理，自然冷却至室温后清理样品表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度提高了20.65％；耐压强度为59.6MPa，与原始耐压强 度(34.9MPa)相比，增幅达70.77％；弯曲强度为22.6MPa，与原始弯曲强度(30.5MPa)相 比下降25.9％。

实施例5

(1)浸渍液的制备

分别称量186g高含氢硅油、9.3gTEOS和0.093g氯铂酸催化剂于40℃的水浴中搅拌6小 时后室温静置18小时后取上层清液，粘度为150mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.08MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入55℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍6小时后升温至180℃进行凝胶固化，固化时间为13小时。将固化后的试样置 于马弗炉内进行500℃热处理，自然冷却至室温后清理样品表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度提高了17.68％；耐压强度为55.9MPa，与原始耐压强 度(34.9MPa)相比，增幅达60.17％；弯曲强度为16.7MPa，与原始弯曲强度(30.5MPa)相 比下降45.24％。

实施例6

(1)浸渍液的制备

分别称量150.21g高含氢硅油、6gTEOS、0.08g醋酸镍催化剂和1.5g石英粉于40℃的 水浴中搅拌4小时后室温静置16小时后取上层清液，粘度为164mPa·s，待用。

(2)致密化处理

把干燥至恒重的石英纤维(针刺结构)增强石英陶瓷复合材料试样浸入制备的浸渍液中， 真空处理30分钟(真空度-0.08MPa)。然后将试样及浸渍液一同置入50℃的恒温恒湿干燥箱 内，继续浸渍5小时后升温至160℃进行凝胶固化，固化时间为15小时。将固化后的试样置 于马弗炉内进行300℃热处理，自然冷却至室温后清理样品表面并进行相关性能测试。

采用该工艺制备的试样：体积密度提高了19.46％；耐压强度为74.7MPa，与原始耐压强 度(34.9MPa)相比，增幅达114％；弯曲强度为25.9MPa，与原始弯曲强度(30.5MPa)相 比下降15.08％。