本發(fā)明涉及制備多孔的復合材料部件，即部件由通過基質(zhì)致密化的增強纖維制成并且在其中已經(jīng)形成多個孔。

由復合材料制成的多孔部件特別地在過濾和聲學領域找到了特定應用。對于具有聲學功能的復合材料部件，通常做法是在其中形成孔，這例如適用于存在于發(fā)動機中的聲衰減面板的外皮。為了使聲波能夠穿透到這種面板的內(nèi)側(cè)并且使其衰減，面板的外皮需要存在多個孔。

對于由陶瓷基質(zhì)復合(CMC)材料制成的部件，需要通過浸漬一種用于與作為陶瓷前體的樹脂一起形成該部件的增強部分的纖維織構，通過聚合該樹脂，以及通過繼續(xù)熱解該浸漬結構以形成陶瓷基質(zhì)，制成該部件。

孔可以多種方式在由CMC材料制成的部件中形成。特別地，在該浸漬織構處于聚合狀態(tài)時，這些孔可通過使用鉆頭對浸漬織構鉆孔形成。然而，需要不采用潤滑劑實施該加工，以避免降解存在于該浸漬織構中的材料(化學不兼容性)。這導致鉆頭的過早磨損。此外，切割并不理想，并且使原纖維出現(xiàn)在孔中，該原纖維導致在制備該部件中的后續(xù)問題。

孔也可通過在聚合狀態(tài)使用激光對浸漬織構鉆孔形成。在這種情況下，織構被干凈地切割(沒有原纖維)，但熱影響區(qū)域(TAZ)出現(xiàn)在該織構中。

另一解決方案包括將樹脂浸漬的織構放置在一個具有表面尖狀凸起(spikes)的板上并然后聚合樹脂。然而，這種加工非常昂貴，有時很難使用。

本發(fā)明所采用的復合材料部件也可由氧化物/氧化物類型的CMC材料制成，即通過將耐高溫氧化物顆粒沉積在一種由氧化纖維制成的纖維織構內(nèi)，然后燒結顆粒，從而在織構中形成耐火氧化物基質(zhì)。

當在一種包含耐火氧化物顆粒的纖維織構中形成孔時，用于形成孔的技術的上述缺點同樣發(fā)生。

因此，存在對如下解決方案的需求，其可以在復合材料部件中形成多個孔，這樣作同時符合被限定用于孔的形狀(沒有原纖維)，并且生產(chǎn)成本盡可能低。

發(fā)明目的和內(nèi)容

為此，本發(fā)明提出了一種多孔的復合材料部件的制備方法，所述方法包括以下步驟：

·將噴砂掩模定位在預制件上，所述預制件包括浸漬有聚合的陶瓷-前體樹脂的纖維織構，所述掩模具有與在該預制件中將要形成的孔對應的多個開口；

·將磨料顆粒以高速投射到該掩模的表面上(噴砂)，從而對暴露在所述掩模的所述開口中的該預制件進行穿孔；以及

·熱解該多孔預制件，從而在多孔纖維織構中形成陶瓷基質(zhì)。

因此，使用噴砂技術能夠以準確和便宜的方式使多孔部件由復合材料制成。然而，根據(jù)本發(fā)明，在部件制備的中間階段形成孔，即在聚合之后以及在通過熱解將樹脂轉(zhuǎn)換成陶瓷之前。具體地，在其已被熱解后，部件的復合材料具有很高的硬度，從而要求長時間和/或用很大的力實施噴砂。在這種情況下，存在破壞噴砂掩模的相當大風險，這意味著不能保證被限定用于孔的形狀。

本發(fā)明還提供了一種由復合材料制備多孔部件的方法，所述方法包括以下步驟：

·將噴砂掩模定位在預制件上，所述預制件包括含有耐火氧化物顆粒的纖維織構，所述掩模包括與在該預制件中將要形成的孔對應的多個開口；

·將磨料顆粒以高速投射到該掩模的表面上(噴砂)，從而對暴露在所述掩模的所述開口中的該預制件進行穿孔；以及

·燒結該耐火氧化物顆粒，從而在多孔預制件中形成耐火氧化物基質(zhì)。

如上所述，在復合材料部件制備的中間階段形成孔，即，在燒結氧化物顆粒之前，此時該部件仍存在與噴砂兼容的硬度水平，此時噴砂在持續(xù)時間上和/或在所使用的力上都能夠保證噴砂掩模的完整性。

在本發(fā)明方法的一個特定方面，在熱解或燒結步驟后，這些方法包括致密化所述多孔纖維織構的步驟，通過碳化硅的化學蒸汽滲透實施所述步驟。除了完成部件的致密化，該步驟可以形成一種碳化硅涂層，該碳化硅涂層保護部件在孔內(nèi)側(cè)裸露的材料。

根據(jù)本發(fā)明的特征，所述磨料顆粒以在45°到60°范圍內(nèi)的角度投射到噴砂掩模的表面上。這可以增加噴砂的效率并縮短其持續(xù)時間。

附圖說明

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點在參考附圖給出的作為非限制性實施例的本發(fā)明特定實施方式的以下描述中顯而易見，其中：

·圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，用于形成多孔部件的纖維結構的圖解透視圖；

·圖2是使用圖1纖維結構獲得的預制件的圖解透視圖；

·圖3是示出被定位在圖2預制件上的噴砂掩模的圖解透視圖；

·圖4是用于在圖2預制件中形成孔的噴砂機的圖解剖面視圖；以及

·圖5是在本發(fā)明的實施方式中由陶瓷基質(zhì)復合材料制成的多孔部件的透視圖。

具體實施方式

本發(fā)明的方法涉及由陶瓷基質(zhì)復合(CMC)材料制備部件，即部件具有由用基質(zhì)致密化的耐火纖維(碳纖維或陶瓷纖維)制成的增強部分，所述基質(zhì)至少部分地為陶瓷。CMC材料的示例為C/SiC復合材料(碳纖維增強部分和碳化硅基質(zhì))，C/C-SiC復合材料(碳纖維增強部分，包括通常更接近纖維的碳相以及碳化硅相的基質(zhì))，SiC/SiC復合材料(增強纖維和由碳化硅制成的基質(zhì))，氧化物/氧化物復合材料(增強纖維和由氧化鋁制成的基質(zhì))。界面層可插入在增強纖維和基質(zhì)之間，從而提高材料的機械強度。

根據(jù)本發(fā)明，在CMC材料部件制備中的中間階段通過噴砂形成孔。更準確地，當部件的CMC材料的基質(zhì)至少部分地使用陶瓷前體樹脂形成時，噴砂操作可在聚合樹脂的狀態(tài)實施，即在其熱解之前，從而將前體轉(zhuǎn)換成陶瓷。當基質(zhì)由耐高溫氧化物顆粒制成時，作為在氧化物/氧化物類型的CMC材料中，在燒結用于形成耐火氧化物基質(zhì)的顆粒之前實施噴砂。

圖5示出了一種包括大量孔11的由CMC材料制成的聲學外皮10。例如，聲學皮膚10用于與蜂窩狀結構組裝在一起，從而形成聲衰減面板。

隔音板的制備通過由耐火纖維制成纖維織構100開始，如碳纖維、陶瓷纖維或氧化物纖維，如圖1所示。

所使用的纖維織構可以是多種類型和形狀，特別地包括：

·二維(2D)織物；

·通過3D或多層編織獲得的三維(3D)織物，特別地如文獻WO 2010/061140所描述的；

·編織物(braid)；

·針織物(knit)；

·氈制品(felt)；

·紗線的單向(UD)薄片或絲束(tows)或多向(nD)薄片，多向(nD)薄片通過使多個UD薄片在不同方向重疊并將UD薄片粘結在一起(例如通過縫合、通過化學粘結劑，或過針編(needling))獲得。

還可以使用一種由織物、編織物、針織物、氈制品、薄片、絲束等的多個疊加層組成的纖維結構，所述層粘結在一起，例如通過縫合，通過植入紗線或剛性元件，或通過針編。

當由基質(zhì)的液體前體形成陶瓷基質(zhì)時，纖維織構通常與用于樹脂的溶劑一起浸漬在一種包含樹脂的浴液(bath)?？梢允褂闷渌阎慕n技術，諸如使纖維織構穿過一個連續(xù)的浸漬機，通過注入浸漬，或?qū)嶋H上通過樹脂傳遞模塑(RTM)浸漬。

有機前體通常為聚合物的形式，諸如可能在溶劑中被稀釋的樹脂。例如，陶瓷的液體前體，特別地用于SiC的，可以是聚碳硅烷(PCS)類型的樹脂、聚硅氧烷(PSX)類型的樹脂、聚鈦聚碳硅烷(PTCS)類型的樹脂、或聚硅氮烷(PSZ)類型的樹脂。

在已經(jīng)浸漬并且可能干燥纖維織構之后，聚合樹脂，從而固化了纖維織構。

當形成氧化物類型的基質(zhì)時，耐火氧化物顆粒沉積在纖維結構中。一種用于這種沉積的已知技術包括：

·在織構的一側(cè)上放置一個滑環(huán)(slip)，該滑環(huán)包含耐火氧化物顆粒的亞微米粉末；

·形成壓力差從而使該滑環(huán)穿過預制件；以及

·過濾已經(jīng)穿過預制件的液體，從而在預制件內(nèi)保留耐火氧化物顆粒。

根據(jù)本發(fā)明，孔在部件制備的中間階段形成，即在預制件110對應織構100的階段，此時樹脂已經(jīng)聚合后或在耐火氧化物顆粒已經(jīng)沉積在其中(圖2)。

根據(jù)本發(fā)明，孔通過噴砂制成，即通過在預制件110上以高速投射磨料顆粒。

在噴砂操作前，噴砂掩模或模板(stencil)250被定位在預制件100的表面上，如圖3所示。噴砂掩模250具有與在預制件110中將形成的孔對應的多個開口251。掩模250由彈性材料制成，從而承受投射的磨料顆粒以及適用于任何形狀的預制件，并且特別地適用于具有彎曲形狀的預制件。例如，掩模250可由彈性體制成，該彈性體在接觸預制件的其表面252上包括膠粘劑，該膠粘劑可用于確保將掩模保持在適當位置。

如圖4所示，被掩模250覆蓋的預制件110被放置在噴砂機200的支撐部210上，該噴砂機還具有帶有噴嘴221的噴砂頭220，磨料顆粒從該噴嘴210以高速投射從而在預制件110中形成孔115。噴砂頭220在高度上可調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)在噴嘴221和用于噴砂的預制件表面之間的距離h(忽略了噴砂掩模的厚度)。噴砂頭也可傾斜，從而調(diào)節(jié)顆粒在織構上投射的角度θ。

在對在與浸漬有聚合陶瓷前體樹脂的纖維織構對應的預制件穿孔時適用的磨料顆粒例如可以是碳化硅顆粒，其具有一種帶有鋒利邊緣的角形狀并具有接近100微米(μm)的粒度。為了使與包含耐火氧化物顆粒的纖維織構對應的預制件穿孔，可以使用磨料顆粒，諸如白剛玉(99.6％純結晶無水氧化鋁)顆粒，或具有鋒利邊緣的角結構并具有接近100微米(μm)的粒度的碳化硅顆粒。

投射距離，即在噴嘴出口和噴砂預制件的之間的距離根據(jù)顆粒在噴嘴出口投射處的壓力調(diào)節(jié)。更準確地，對于確定的噴嘴出口壓力，投射距離被調(diào)節(jié)以優(yōu)化穿孔速度，同時注意不攻擊掩模。例如，對于噴嘴以7巴的壓力投射磨料顆粒，投射距離可位于90毫米(mm)到150毫米的范圍中。當投射角θ為90°時，投射距離對應于高度h。當投射角θ小于90°時，投射距離大于高度h。

關于投射角度θ，即磨料顆粒沖擊預制件的角度，盡管可以使用90°的投射角度，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，當使用位于45°到60°范圍內(nèi)的投射角時，以最有效和經(jīng)濟的方式穿孔。具體地，盡管90°的投射實際上導致更大的沖擊強度，但是由于大量顆粒在沖擊后反彈以及形成一種通過撞擊破壞入射顆粒的屏蔽，效率降低了。

一旦所有孔已經(jīng)形成，移除噴砂掩模并且獲得了圖5的聲學外皮10，其對應于一種由CMC材料制成的多孔部件，即由通過基質(zhì)致密化的耐火纖維增強部分組成的部件，所述基質(zhì)至少部分地通過陶瓷(碳化硅、氧化物等)制成。

在噴砂操作后，部件可受到碳化硅的化學蒸汽滲透(CVI)，所述化學蒸汽滲透不僅用于完成預制件的致密化，而且也用于形成碳化硅的涂層(“密封層”)，該涂層保護部件在孔中裸露的部分。以已知的方式，該部件放置在可以進入反應氣體的烘箱中。選擇烘箱內(nèi)側(cè)的壓力和溫度以及反應氣體的組分，從而能夠使氣體在剩余氣孔內(nèi)擴散并且進入該部件的表面內(nèi)，以通過沉淀固體材料在其中形成基質(zhì)，該固體材料由分解氣體的一種組分產(chǎn)生或由多個其組分之間的反應所產(chǎn)生。例如，陶瓷的氣態(tài)前體，特別地SiC的氣態(tài)前體，可以是甲基三氯硅烷(MTS)，其通過MTS分解(可能存在氫)產(chǎn)生SiC。