石英纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料浸漬工藝研究

沈華祥

摘要：浸漬工藝是溶膠一凝膠工藝制備石英纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料中的重要技術(shù)，浸漬的效率和浸漬程度對(duì)于產(chǎn)品的周期和產(chǎn)品的性能有著重要的影響。文章簡(jiǎn)要介紹了硅溶膠的浸漬過(guò)程及機(jī)理，綜述了影響浸漬效率和浸漬程度的因素，包括編織體結(jié)構(gòu)、硅溶膠濃度、浸漬壓力等，并對(duì)浸漬工藝的優(yōu)化進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；二氧化硅；石英纖維

1 石英纖維增強(qiáng)石英陶瓷復(fù)合材料發(fā)展概述

為滿(mǎn)足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的需要，新型導(dǎo)彈向高速、遠(yuǎn)距和高精度制導(dǎo)等方面發(fā)展，人們對(duì)天線(xiàn)罩材料提出了更高的要求，要求其不僅要具有良好的電性能，而且還要具有良好的力學(xué)性能。

石英陶瓷具有良好的電性能、低熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，己成為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈主要的天線(xiàn)罩材料。但是，石英陶瓷材料是典型的脆性材料，這極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用和可靠性。根據(jù)未來(lái)導(dǎo)彈天線(xiàn)罩發(fā)展的要求，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料和氮化硅基復(fù)合材料己成未來(lái)最重要的高速導(dǎo)彈天線(xiàn)罩材料。石英纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料與石英玻璃的表面熔融溫度大致相等，大約為1 735℃，在載入氣動(dòng)加熱條件下力學(xué)性能優(yōu)良，是高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線(xiàn)罩的理想材料。目前部分國(guó)家己實(shí)現(xiàn)其在導(dǎo)彈型號(hào)上的應(yīng)用，如美國(guó)己成功將其應(yīng)用于“三叉戟”潛地導(dǎo)彈的研發(fā)。因此，石英纖維增強(qiáng)石英陶瓷復(fù)合材料因其良好電性能、熱學(xué)性能及力學(xué)性能等，己成為未來(lái)導(dǎo)彈天線(xiàn)罩的首選材料之一。

石英纖維增強(qiáng)石英陶瓷復(fù)合材料一般采用溶膠一凝膠工藝制備，即石英纖維預(yù)制體通過(guò)反復(fù)浸漬硅溶膠工藝制備。制備石英纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料具有眾多優(yōu)點(diǎn)，譬如工藝簡(jiǎn)單、可加工性強(qiáng)等，但是，工藝中存在浸漬效率低以及浸漬程度不足等缺點(diǎn)。

2 硅溶膠的浸漬過(guò)程及機(jī)理

硅溶膠的浸漬過(guò)程可描述為：硅溶膠通過(guò)孔隙進(jìn)入編織體內(nèi)部（對(duì)于編織體而言，硅溶膠是通過(guò)一層而到達(dá)下一層的）。理論上硅溶膠應(yīng)該逐漸擴(kuò)散到整個(gè)編織體內(nèi)部，直至完全浸透編織體。但事實(shí)上這個(gè)浸漬過(guò)程是很難實(shí)現(xiàn)的，用逾滲理論可以很好地解釋浸漬不完全的原因。硅溶膠在預(yù)制體的浸滲是先在編織體表面附近的網(wǎng)絡(luò)通路中隨機(jī)形成連接或不連接的鍵，然后以不同的通路逐步向內(nèi)擴(kuò)展。當(dāng)在某一時(shí)刻，連接鍵的濃度達(dá)到逾滲的閾值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)張的逾滲集團(tuán)。即當(dāng)編織體大部分的孔隙被硅溶膠填滿(mǎn)后（達(dá)到逾滲閾值），剩余的孔隙的浸漬會(huì)變得更加困難。

3 影響浸漬效率和浸漬程度的因素

3.1編織體結(jié)構(gòu)

編織體在復(fù)合材料中起著骨架的作用，是主要的承載組分。復(fù)合材料內(nèi)孔隙主要是不完全浸漬的結(jié)果，系由浸漬液未能充分填充編織體內(nèi)部纖維束間、束內(nèi)空隙所致。不同工藝條件下的編織體其孔隙率、孔隙大小以及孔隙形狀都不同。

李偉等Ⅲ通過(guò)對(duì)三維四向、三維五向以及2.5 D編織體進(jìn)行表征，得出浸滲能力取決于編織體平均貫穿孔的大小，而不是孔隙率的多少。陳朝輝則認(rèn)為編織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維編織體浸漬難度較大，因?yàn)槠淇紫缎螤顝?fù)雜。譬如墨水瓶結(jié)構(gòu)（孔道小，孔腔大）的孔，如果前期浸漬過(guò)程中孔腔填充度不夠，通道一旦閉合就會(huì)就會(huì)留下無(wú)法填充的孔隙。

3.2 硅溶膠濃度

硅溶膠在復(fù)合材料中起著骨架的作用，浸漬過(guò)程就是硅溶膠不斷在織物內(nèi)部空間填充，將纖維束乃至纖維單絲包裹起來(lái)，連成一體。

姜?jiǎng)P等采用3種黏度的浸漬液去浸漬編織體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黏度適中的浸漬液浸漬效果最佳。黏度低的浸漬液不但毛細(xì)血管作用不強(qiáng)，而且在干燥過(guò)程中浸漬液由于重力流出而損失，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的氣孔率最大。黏度大的浸漬液前期浸漬效果優(yōu)異，但是后期浸漬效果不理想，這主要是因?yàn)殡S著浸漬的進(jìn)行，編織體內(nèi)部的孑L隙越來(lái)越小，浸漬阻力越來(lái)越大，高黏度溶液不容易滲透到內(nèi)部的孔隙中或者需要更長(zhǎng)的滲透時(shí)間，從而影響到浸漬效果，導(dǎo)致材料的致密度較難提高。徐道新對(duì)5種浸漬工藝進(jìn)行對(duì)比：30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅溶膠浸漬5次，40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅溶膠浸漬5次，50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅溶膠浸漬5次以及梯度浸漬方式（50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)1次，40%2次，30%2次），結(jié)果表明梯度浸漬下的樣品性能最優(yōu)。采用梯度浸漬，不但可以在浸漬的前幾個(gè)周期擁有很高的浸漬效率和浸漬程度，而且在后期的浸漬過(guò)程中不會(huì)因?yàn)楣枞苣z黏度大而影響剩余小孔隙的填充。

3.3輔助浸漬工藝

在有限的時(shí)間內(nèi)，由于逾滲作用，編織體的浸漬程度會(huì)受到很大的影響。為了提高浸漬程度，在工藝上應(yīng)當(dāng)采取一些輔助方法。

段永濤指出真空機(jī)制下，在很短的時(shí)間內(nèi)可以在浸漬物的表面形成一層高濃度區(qū)，與其內(nèi)部形成了高濃度梯度，為浸漬過(guò)程提供了良好的動(dòng)力條件。姜?jiǎng)P等分析了不同壓力下浸漬的效果，結(jié)果表明：3 MPa浸漬壓力下材料密度最低，這說(shuō)明壓力還不足以打開(kāi)內(nèi)部的閉氣孔，也難以克服溶液在內(nèi)部微孔中的粘滯阻力，浸漬液無(wú)法填充編織體內(nèi)部的孔隙。當(dāng)浸漬壓力達(dá)到5 MPa時(shí)，外部壓力可以克服部分粘滯阻力，從而浸漬溶液進(jìn)入編織體內(nèi)部的深度得到提高。當(dāng)浸漬壓力提升到6 MPa時(shí)，從密度情況來(lái)看，外部壓力有效地打開(kāi)了內(nèi)部的閉氣孔，很好地克服了溶液在纖維內(nèi)部微孔的粘滯阻力，使得浸漬效果有效地提高。但是隨著浸漬壓力的繼續(xù)提高，最終的材料密度也不再顯著增加，這可能因?yàn)椋海╨）壓力升高導(dǎo)致流速增加，摩擦損失的功大，導(dǎo)致實(shí)際有效壓力并不是隨著外加壓力的增加而呈線(xiàn)性增加；（2）隨著浸漬過(guò)程的進(jìn)行，編織體浸漬程度的提高所需要的壓力呈指數(shù)型增長(zhǎng)。徐道新比較了抽真空浸漬和加壓浸漬的效果，第一次浸漬過(guò)程中真空浸漬的效果要優(yōu)于加壓浸漬，這是因?yàn)榻n時(shí)編織體內(nèi)部有大量的氣泡附著在纖維表面，不抽真空的話(huà)無(wú)法將其排除。第二次浸漬過(guò)程中加壓浸漬要優(yōu)于真空浸漬，這是因?yàn)楣枞苣z易在界面處凝膠，對(duì)浸漬過(guò)程有著阻礙作用，加壓浸漬可以使得基體表面的凝膠層脫落。

3.4其他影響因素

石英纖維表面的浸潤(rùn)劑不但影響復(fù)合材料的介電性能，也會(huì)影響石英纖維的浸潤(rùn)性。廉云清等采用有機(jī)溶劑配合熱處理的方式來(lái)去除浸潤(rùn)劑，這種工藝不但可以去除浸潤(rùn)劑，而且石英纖維沒(méi)有受到過(guò)多的損傷，石英纖維的浸潤(rùn)性能優(yōu)秀。除此之外，硅溶膠中的雜質(zhì)、編織體干燥方式都會(huì)影響浸漬效率，并且影響最終產(chǎn)品的致密化程度。

4結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的浸漬工藝仍然存在著浸漬周期長(zhǎng)、致密化程度不高等缺點(diǎn)。浸漬過(guò)程的前3個(gè)周期浸漬效率最高，如何在盡量短的周期內(nèi)將編織體致密化是需要解決的問(wèn)題。從以上分析可以看出，浸漬工藝的優(yōu)化可以從以下幾方面研究：（1）制備穩(wěn)定、低黏度以及高固含量的硅溶膠；（2）浸漬的后半周期采用高壓設(shè)備進(jìn)行浸漬；（3）浸漬飽和后通過(guò)加入添加劑使硅溶劑平衡狀態(tài)被破壞從而原位凝膠；（4）快速干燥技術(shù)；（5）制備在空間性能和孔隙結(jié)構(gòu)都均勻的編織體。