石英纖維增強石英復(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于產(chǎn)品的周期和產(chǎn)品的性能有著重要的影響。文章簡要介紹了硅溶膠的浸漬過程及機理，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，并對浸漬工藝的優(yōu)化進行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；二氧化硅；石英纖維

1 石英纖維增強石英陶瓷復(fù)合材料發(fā)展概述

為滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭發(fā)展的需要，新型導(dǎo)彈向高速、遠距和高精度制導(dǎo)等方面發(fā)展，人們對天線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際應(yīng)用和可靠性。根據(jù)未來導(dǎo)彈天線罩發(fā)展的要求，纖維增強陶瓷基復(fù)合材料和氮化硅基復(fù)合材料己成未來最重要的高速導(dǎo)彈天線罩材料。石英纖維增強石英復(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℃，在載入氣動加熱條件下力學(xué)性能優(yōu)良，是高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩的理想材料。目前部分國家己實現(xiàn)其在導(dǎo)彈型號上的應(yīng)用，如美國己成功將其應(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，己成為未來導(dǎo)彈天線罩的首選材料之一。

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

2 硅溶膠的浸漬過程及機理

硅溶膠的浸漬過程可描述為：硅溶膠通過孔隙進入編織體內(nèi)部（對于編織體而言，硅溶膠是通過一層而到達下一層的）。理論上硅溶膠應(yīng)該逐漸擴散到整個編織體內(nèi)部，直至完全浸透編織體。但事實上這個浸漬過程是很難實現(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)通路中隨機形成連接或不連接的鍵，然后以不同的通路逐步向內(nèi)擴展。當(dāng)在某一時刻，連接鍵的濃度達到逾滲的閾值時，就會出現(xiàn)無限擴張的逾滲集團。即當(dāng)編織體大部分的孔隙被硅溶膠填滿后（達到逾滲閾值），剩余的孔隙的浸漬會變得更加困難。

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通過對三維四向、三維五向以及2.5 D編織體進行表征，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。陳朝輝則認為編織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維編織體浸漬難度較大，因為其孔隙形狀復(fù)雜。譬如墨水瓶結(jié)構(gòu)（孔道小，孔腔大）的孔，如果前期浸漬過程中孔腔填充度不夠，通道一旦閉合就會就會留下無法填充的孔隙。

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，連成一體。

姜凱等采用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血管作用不強，而且在干燥過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，這主要是因為隨著浸漬的進行，編織體內(nèi)部的孑L隙越來越小，浸漬阻力越來越大，高黏度溶液不容易滲透到內(nèi)部的孔隙中或者需要更長的滲透時間，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5種浸漬工藝進行對比：30%質(zhì)量分數(shù)硅溶膠浸漬5次，40%質(zhì)量分數(shù)硅溶膠浸漬5次，50%質(zhì)量分數(shù)硅溶膠浸漬5次以及梯度浸漬方式（50%質(zhì)量分數(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程中不會因為硅溶膠黏度大而影響剩余小孔隙的填充。

3.3輔助浸漬工藝

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

段永濤指出真空機制下，在很短的時間內(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，為浸漬過程提供了良好的動力條件。姜凱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，這說明壓力還不足以打開內(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，浸漬液無法填充編織體內(nèi)部的孔隙。當(dāng)浸漬壓力達到5 MPa時，外部壓力可以克服部分粘滯阻力，從而浸漬溶液進入編織體內(nèi)部的深度得到提高。當(dāng)浸漬壓力提升到6 MPa時，從密度情況來看，外部壓力有效地打開了內(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，這可能因為：（l）壓力升高導(dǎo)致流速增加，摩擦損失的功大，導(dǎo)致實際有效壓力并不是隨著外加壓力的增加而呈線性增加；（2）隨著浸漬過程的進行，編織體浸漬程度的提高所需要的壓力呈指數(shù)型增長。徐道新比較了抽真空浸漬和加壓浸漬的效果，第一次浸漬過程中真空浸漬的效果要優(yōu)于加壓浸漬，這是因為浸漬時編織體內(nèi)部有大量的氣泡附著在纖維表面，不抽真空的話無法將其排除。第二次浸漬過程中加壓浸漬要優(yōu)于真空浸漬，這是因為硅溶膠易在界面處凝膠，對浸漬過程有著阻礙作用，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劑不但影響復(fù)合材料的介電性能，也會影響石英纖維的浸潤性。廉云清等采用有機溶劑配合熱處理的方式來去除浸潤劑，這種工藝不但可以去除浸潤劑，而且石英纖維沒有受到過多的損傷，石英纖維的浸潤性能優(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

現(xiàn)有的浸漬工藝仍然存在著浸漬周期長、致密化程度不高等缺點。浸漬過程的前3個周期浸漬效率最高，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)備進行浸漬；（3）浸漬飽和后通過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。