CN103276325B - 一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法 - Google Patents
一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法。它涉及应用于星载雷达天线面板的复合材料的制备方法。本发明为解决现有应用于星载雷达天线面板的复合材料不能兼顾横向拉伸强度和纵向拉伸强度、综合力学性能差以及致密度不高的问题，方法：先将氮化铝悬浮液涂覆到纤维表面，再固定成束，然后注入铝合金溶液进行浸渗，最后通过喷射冷却液使其快速冷却，得到复合材料。致密度高，在保持高的纵向拉伸强度和纵向热导率的同时，提高了横向拉伸强度和横向热导率，综合性能优异，可应用于星载雷达天线面板及其制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及应用于星载雷达天线面板的复合材料的制备方法。
背景技术
星载雷达天线面板需要在特定方向上有极高的导热性能并具有优良的综合力学性能的各项异性材料。1990年，NASA将DWA公司和Lockheed Martin公司制备的P100/6061Al复合材料应用于哈勃太空望远镜天线，其纵向热导率可达到320W/(m·K)、纵向拉伸强度可达900MPa，然而此材料的横向强度较低，一般为100MPa以下，由于现今航天航空领域的不断发展，此材料的性能已不能较好的满足现今星载雷达天线面板的需求。
目前国内也有部分专家学者试图单纯通过向铝合金基体中加入Mg、Si、Ni等元素来提高复合材料的力学性能，但大多只局限于对单向力学性能的提高，此种复合材料若纵向拉伸强度较高，其横向拉伸强度往往很低，其纵向拉伸强度一般为700MPa～1000MPa，而此时的横向强度一般为100MPa以下，综合力学性能较差。
沥青基石墨纤维有极高的热导率，适合应用于对导热性能要求极高的材料，而铝合金也以其低密度、高强度等特点被广泛应用于航空航天材料的制备。然而石墨纤维与铝合金之间极差的润湿性使得扩散结合、粉末冶金等方式制备出的复合材料很难达到较高的致密度，其致密度一般为80％～90％，而石墨纤维与铝合金在高温下产生的反应，也使得普通的压力浸渗制备工艺制得的复合材料导热性能与力学性能很难达到要求，虽然其致密度也较高，但是其综合力学性能较差，其纵向热导率为200W/(m·K)～350W/(m·K)、纵向拉伸强度约为600MPa～900MPa，横向强度为100MPa以下。
发明内容
本发明为解决现有应用于星载雷达天线面板的复合材料不能兼顾横向拉伸强度和纵向拉伸强度、综合力学性能差以及致密度不高的问题，而提供一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法。
本发明的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料按质量分数由60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量为基体铝合金制成。
本发明的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液涂覆到步骤一称取的沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至800～1000℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为70MPa～80MPa下，保压4min～6min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为40℃/min～60℃/min冷却，温度降至150～250℃后脱模，得到各向异性复合材料。
本发明的方法采用先将氮化铝颗粒涂覆于沥青基石墨纤维增强体表面，然后将涂覆了氮化铝了的沥青基石墨纤维增强体压制成预制体，再将基体铝合金熔化后注入有预制体的钢制模具中，是铝合金溶液始终保持在预制体上方，压制后通过喷射冷却液使材料随模具快速冷却，得到各项异性复合材料，由本发明的方法制备的各项异性复合材料具有高致密度，致密度可达99％，在保持高的纵向拉伸强度和高的纵向热导率的同时，提高了横向拉伸强度和横向热导率，其纵向拉伸强度可达1130MPa，纵向热导率可达320W/(m·K)、横向强度可达340MPa、横向热导率可达210W/(m·K)，综合性能优异，制备方法简单易行，可应用于星载雷达天线面板及其制备领域。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料按质量分数由60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量为基体铝合金制成。
本实施方式的方法制备的各项异性复合材料具有高致密度，致密度可达99％，在保持高的纵向拉伸强度和高的纵向热导率的同时，提高了横向拉伸强度和横向热导率，其纵向拉伸强度可达1130MPa，纵向热导率可达320W/(m·K)、横向强度可达340MPa、横向热导率可达210W/(m·K)，综合性能优异，制备方法简单易行，可应用于星载雷达天线面板及其制备领域。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：该复合材料按质量分数由75％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量为基体铝合金制成。其它步骤及参数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：所述的沥青基石墨纤维增强体为孔隙率小于8％、直径5μm～10μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒粒径4μm～6μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量分数为15％～20％。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液涂覆到步骤一称取的沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至800～1000℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为70MPa～80MPa下，保压4min～6min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为40℃/min～60℃/min冷却，温度降至150～250℃后脱模，得到各向异性复合材料。
本实施方式的方法采用先将氮化铝颗粒涂覆于沥青基石墨纤维增强体表面，然后将涂覆了氮化铝了的沥青基石墨纤维增强体压制成预制体，再将基体铝合金熔化后注入有预制体的钢制模具中，是铝合金溶液始终保持在预制体上方，压制后通过喷射冷却液使材料随模具快速冷却，得到各项异性复合材料，由本实施方式的方法制备的各项异性复合材料具有高致密度，致密度可达99％，在保持高的纵向拉伸强度和高的纵向热导率的同时，提高了横向拉伸强度和横向热导率，其纵向拉伸强度可达1130MPa，纵向热导率可达320W/(m·K)、横向强度可达340MPa、横向热导率可达210W/(m·K)，综合性能优异，制备方法简单易行，可应用于星载雷达天线面板及其制备领域。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中按质量分数称取60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中按质量分数称取75％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金。其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤一中所述的沥青基石墨纤维增强体为孔隙率小于8％、直径5μm～10μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒粒径4μm～6μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量分数为15％～20％。其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤二中配置成质量浓度为70％～75％的氮化铝悬浮液。其它步骤及参数与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤四中将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，在压力为75MPa下，保压5min。其它步骤及参数与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤五中以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后脱模。其它步骤及参数与具体实施方式四至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取60％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；其中沥青基石墨纤维增强体孔隙率为5％、平均直径为7μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒平均粒径为5μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量百分含量为15％；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为70％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为70％的氮化铝悬浮液涂覆到沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体，其中所述的乙醇水溶液的质量分数为60％；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到150mm×20mm×15mm的纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为70MPa下，保压5min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后取出材料，得到各向异性复合材料。
采用型号为Instron-5569的电子万能拉伸机对本试验得到的各向异性复合材料进行综合力学性能检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向拉伸强度为242MPa、沿纤维纵向拉伸强度为870MPa、弹性模量为152GPa，综合力学性能优异。
采用型号为LFA447的激光导热仪对本试验得到的各向异性复合材料进行热导率检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向热导率为152W(m-1K-1)、沿纤维纵向热导率为320W(m-1K-1)，综合热导性能优异。
使用阿基米德排水法测量本试验得到的各向异性复合材料密度，并利用混合定律计算出本试验得到的各向异性复合材料致密度为99.8％。
试验二：一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取75％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；其中沥青基石墨纤维增强体孔隙率为6％、平均直径为7μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒平均粒径为4μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量百分含量为17％；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为75％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为75％的氮化铝悬浮液涂覆到沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体，其中所述的乙醇水溶液的质量分数为60％；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到150mm×20mm×15mm的纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为75MPa下，保压5min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后取出材料，得到各向异性复合材料。
采用型号为Instron-5569的电子万能拉伸机对本试验得到的各向异性复合材料进行综合力学性能检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向拉伸强度为271MPa、沿纤维纵向拉伸强度为930MPa、弹性模量为173GPa，综合力学性能优异。
采用型号为LFA447的激光导热仪对本试验得到的各向异性复合材料进行热导率检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向热导率为168W(m-1K-1)、沿纤维纵向热导率为287W(m-1K-1)，综合热导性能优异。
使用阿基米德排水法测量本试验得到的各向异性复合材料密度，并利用混合定律计算出本试验得到的各向异性复合材料致密度为99.2％。
试验三：一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取80％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；其中沥青基石墨纤维增强体孔隙率为5％、平均直径为7μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒平均粒径为5μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量百分含量为20％；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为75％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为75％的氮化铝悬浮液涂覆到沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体，其中所述的乙醇水溶液的质量分数为60％；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到150mm×20mm×15mm的纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为75MPa下，保压5min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后取出材料，得到各向异性复合材料。
采用型号为Instron-5569的电子万能拉伸机对本试验得到的各向异性复合材料进行综合力学性能检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向拉伸强度为309MPa、沿纤维纵向拉伸强度为1012MPa、弹性模量为173GPa，综合力学性能优异。
采用型号为LFA447的激光导热仪对本试验得到的各向异性复合材料进行热导率检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向热导率为189W(m-1K-1)、沿纤维纵向热导率为241W(m-1K-1)，综合热导性能优异。
使用阿基米德排水法测量本试验得到的各向异性复合材料密度，并利用混合定律计算出本试验得到的各向异性复合材料致密度为99.0％。
试验四：一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取80％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；其中沥青基石墨纤维增强体孔隙率为6％、平均直径为6μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒平均粒径为4μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量百分含量为20％；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为70％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为70％的氮化铝悬浮液涂覆到沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体，其中所述的乙醇水溶液的质量分数为60％；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到150mm×20mm×15mm的纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为80MPa下，保压5min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后取出材料，得到各向异性复合材料。
采用型号为Instron-5569的电子万能拉伸机对本试验得到的各向异性复合材料进行综合力学性能检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向拉伸强度为340MPa、沿纤维纵向拉伸强度为1130MPa、弹性模量为188GPa，综合力学性能优异。
采用型号为LFA447的激光导热仪对本试验得到的各向异性复合材料进行热导率检测，得到本试验的各向异性复合材料其沿纤维横向热导率为210W(m-1K-1)、沿纤维纵向热导率为265W(m-1K-1)，综合热导性能优异。
使用阿基米德排水法测量本试验得到的各向异性复合材料密度，并利用混合定律计算出本试验得到的各向异性复合材料致密度为99.0％。
Claims (6)
1.一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取60％～80％的沥青基石墨纤维增强体、4％～6％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金；
二、将步骤一称取的氮化铝颗粒分散于乙醇水溶液中，配置成质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液，然后将质量浓度为60％～80％的氮化铝悬浮液涂覆到步骤一称取的沥青基石墨纤维增强体表面，室温下风干，得到氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体；
三、将步骤二得到的氮化铝涂覆沥青基石墨纤维增强体利用石墨模具固定成板状纤维束，得到纤维预制体；
四、首先将步骤三得到的纤维预制体转移至钢制模具中，且钢制模具内腔尺寸与纤维预制体完全吻合，再将步骤一称取的基体铝合金加热至800～1000℃，得到铝合金溶液，然后将得到的铝合金溶液注入有纤维预制体的钢制模具中，在压力为70MPa～80MPa下，保压4min～6min，得到基体-预制体复合材料；
五、向钢制模具中喷射冷却液，使基体-预制体复合材料随钢制模具以冷却速度为40℃/min～60℃/min冷却，温度降至150～250℃后脱模，得到各向异性复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按质量分数称取75％的沥青基石墨纤维增强体、5％的氮化铝颗粒和余量的基体铝合金。
3.根据权利要求2所述的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的沥青基石墨纤维增强体为孔隙率小于8％、直径5μm～10μm的沥青基石墨纤维增强体，所述的氮化铝颗粒粒径4μm～6μm，所述的基体铝合金为Al-Mg合金，其中所述的Al-Mg合金中Mg的质量分数为15％～20％。
4.根据权利要求2所述的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中配置成质量浓度为70％～75％的氮化铝悬浮液。
5.根据权利要求2所述的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中将步骤一称取的基体铝合金加热至900℃，在压力为75MPa下，保压5min。
6.根据权利要求2所述的一种应用于星载雷达天线面板的各向异性复合材料的制备方法，其特征在于步骤五中以冷却速度为50℃/min冷却，温度降至200℃后脱模。
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