基于层压穿刺技术的高性能SiO?f/SiO?波透明复合材料

《Journal of the European Ceramic Society》：High-performance SiO 2f/SiO 2 wave-transparent composites based on laminated puncture method

SiO2f/SiO2复合材料通过层叠穿刺结构增强机械性能与耐烧蚀性，同时保持优异电磁透明性，有效解决传统2D编织强度不足和3D编织成本过高的难题。

　　

文淑萍|胡伟|陈志琳|田志琳|黄继金|郑丽娅|李斌

中山大学深圳校区材料学院，中国深圳518107

摘要

SiO_2f/SiO₂复合材料在雷达罩应用中具有显著潜力。然而，传统的二维编织方法存在层间粘结力较弱的问题，而二维半和三维编织方法成本较高。为克服这些限制，研究人员在SiO_2f/SiO₂复合材料中引入了层压穿刺增强结构。实验结果表明，这种层压穿刺结构有效提高了材料的承载能力，其弯曲强度和压缩强度分别达到了93 MPa和146 MPa。数字图像相关（DIC）分析证实，Z向纤维能够抑制剪切带的传播，延缓材料的灾难性失效。此外，该复合材料表现出优异的烧蚀抗性，烧蚀速率为0.151 mm/s，质量损失速率为0.088 g/s，这一现象主要由表面熔化、挥发和机械侵蚀引起。同时，该材料保持了稳定的电磁透明性，介电常数约为3，介电损耗 tangent值低于0.004。这种具有成本效益的制造方法实现了先进的综合性能，为实际工程应用提供了可能。

引言

随着飞机飞行速度的不断提高，运行环境变得愈发恶劣——高温、强烈的热流和严重的空气动力载荷成为主要挑战。这些极端条件对雷达罩和天线窗口的材料性能提出了严格要求，这些材料需要具备优异的电磁透明性[1]、[2]、[3]。理想情况下，这类材料不仅应具有优异的电磁透明性，还应具备高机械强度和良好的热稳定性[4]。

传统的透明陶瓷材料虽然具有优异的电磁透明性，但其固有的脆性限制了其在飞行过程中承受极端热机械载荷时的结构完整性和可靠性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。为了解决这一问题，研究人员开发了连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMCs），这些材料通过界面脱粘和纤维拔出等机制来耗散断裂能量，从而显著提高材料的韧性[15]、[16]、[17]、[18]。其中，硅纤维增强二氧化硅复合材料（SiO_2f/SiO₂）是一个典型的例子，它在不损失二氧化硅优异的透明性能的同时，通过纤维增强提高了材料的韧性和抗热震性。因此，SiO_2f/SiO₂复合材料在雷达罩和天线窗口的应用中越来越受到重视。

近年来，SiO_2f/SiO₂复合材料的性能优化主要集中在纤维预制结构的改进上。刘等人[19]、[20]、[21]对二维半（浅弯曲接头和浅直线接头）和三维（正交、四向、五向、七向）SiO_2f/SiO₂复合材料的力学性能和断裂行为进行了系统研究。结果表明，增加结构复杂性可以提高材料的承载能力：二维半结构的弯曲强度从约48 MPa提高到三维四向和五向结构的64–73 MPa，三维七向编织结构的弯曲强度则达到了约107 MPa。然而，现有研究主要集中在力学性能上，对于特定结构下的热性能、力学性能、介电性能和烧蚀性能之间的综合关联研究尚不足，这阻碍了对材料结构-性能关系的系统理解。因此，有必要开发一种新的增强结构，既能克服二维编织结构固有的层间粘结力弱的问题，又能避免二维半和三维编织的高成本，同时便于对其关键性能进行系统评估。

本研究系统地探讨了层压穿刺SiO_2f/SiO₂复合材料的各项关键性能——包括力学性能、热性能、介电性能和烧蚀性能——以评估其适用于飞机极端使用环境的潜力。通过弯曲和压缩试验评估了材料的力学性能，并利用数字图像相关分析进一步阐明了材料的损伤和失效机制。采用氧乙炔火炬试验研究了材料的烧蚀行为和机制，记录了线性烧蚀速率和质量烧蚀速率，并分析了烧蚀后的相组成和微观结构。此外，还测量了材料的导热系数和热膨胀系数等热性能，以及介电常数和介电损耗 tangent值等介电性能，以验证SiO_2f/SiO₂材料的整体稳定性和透明性。这些研究结果为未来透明结构材料的工程应用提供了重要参考。

SiO_2f/SiO₂复合材料的制备

首先制备了层压穿刺纤维预制体，然后采用溶胶-凝胶法制备了复合材料。将预制体浸入硅溶胶中并充分浸渍，之后分别在80 ℃下干燥30小时、120 ℃下干燥24小时、150 ℃下干燥5小时，直至重量稳定。这一浸渍-干燥过程重复四次。最后，将样品在800 ℃下烧结1小时。

SiO_2f/SiO₂复合材料的微观结构

图2(a)显示复合材料表面有许多规则排列的孔洞，这些孔洞是由钢针穿刺形成的。图2(b)展示了均匀分布的Z向纤维束穿透纤维织物，形成了准三维的增强结构。整体而言，SiO_2f/SiO₂复合材料呈现出光滑的白色块状，显示出良好的成型质量和结构完整性。图2(c)为抛光截面的扫描电子显微镜（SEM）图像，清晰地展示了纤维分布情况。

结论

采用溶胶-凝胶法制备了具有层压穿刺结构的SiO_2f/SiO₂复合材料，并对其热性能、介电性能和烧蚀性能进行了全面评估，以评估其适用于高速透明应用的潜力。主要结论如下：

(1) 层压穿刺结构显著提高了材料的力学性能，其弯曲强度和压缩强度分别达到了约93 MPa和146 MPa。

作者贡献声明

李斌：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金申请。郑丽娅：撰写、审稿与编辑。黄继金：方法论设计。田志琳：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究、概念构建。陈志琳：数据分析与正式分析。胡伟：资源协调、方法论设计、实验研究、数据管理。文淑萍：初稿撰写、实验研究、数据分析与正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了Jianghuai精英培训计划团队项目（项目编号：2023B1212120008、2023B1212060045）的支持。