沈华祥

摘要：浸渍工艺是溶胶一凝胶工艺制备石英纤维增强石英复合材料中的重要技术，浸渍的效率和浸渍程度对于产品的周期和产品的性能有着重要的影响。文章简要介绍了硅溶胶的浸渍过程及机理，综述了影响浸渍效率和浸渍程度的因素，包括编织体结构、硅溶胶浓度、浸渍压力等，并对浸渍工艺的优化进行了展望。

关键词：复合材料；二氧化硅；石英纤维

1 石英纤维增强石英陶瓷复合材料发展概述

为满足现代化战争发展的需要，新型导弹向高速、远距和高精度制导等方面发展，人们对天线罩材料提出了更高的要求，要求其不仅要具有良好的电性能，而且还要具有良好的力学性能。

石英陶瓷具有良好的电性能、低热膨胀系数和导热系数，己成为战术导弹主要的天线罩材料。但是，石英陶瓷材料是典型的脆性材料，这极大地限制了其实际应用和可靠性。根据未来导弹天线罩发展的要求，纤维增强陶瓷基复合材料和氮化硅基复合材料己成未来最重要的高速导弹天线罩材料。石英纤维增强石英复合材料与石英玻璃的表面熔融温度大致相等，大约为1 735℃，在载入气动加热条件下力学性能优良，是高马赫数导弹天线罩的理想材料。目前部分国家己实现其在导弹型号上的应用，如美国己成功将其应用于“三叉戟”潜地导弹的研发。因此，石英纤维增强石英陶瓷复合材料因其良好电性能、热学性能及力学性能等，己成为未来导弹天线罩的首选材料之一。

石英纤维增强石英陶瓷复合材料一般采用溶胶一凝胶工艺制备，即石英纤维预制体通过反复浸渍硅溶胶工艺制备。制备石英纤维增强石英复合材料具有众多优点，譬如工艺简单、可加工性强等，但是，工艺中存在浸渍效率低以及浸渍程度不足等缺点。

2 硅溶胶的浸渍过程及机理

硅溶胶的浸渍过程可描述为：硅溶胶通过孔隙进入编织体内部（对于编织体而言，硅溶胶是通过一层而到达下一层的）。理论上硅溶胶应该逐渐扩散到整个编织体内部，直至完全浸透编织体。但事实上这个浸渍过程是很难实现的，用逾渗理论可以很好地解释浸渍不完全的原因。硅溶胶在预制体的浸渗是先在编织体表面附近的网络通路中随机形成连接或不连接的键，然后以不同的通路逐步向内扩展。当在某一时刻，连接键的浓度达到逾渗的阈值时，就会出现无限扩张的逾渗集团。即当编织体大部分的孔隙被硅溶胶填满后（达到逾渗阈值），剩余的孔隙的浸渍会变得更加困难。

3 影响浸渍效率和浸渍程度的因素

3.1编织体结构

编织体在复合材料中起着骨架的作用，是主要的承载组分。复合材料内孔隙主要是不完全浸渍的结果，系由浸渍液未能充分填充编织体内部纤维束间、束内空隙所致。不同工艺条件下的编织体其孔隙率、孔隙大小以及孔隙形状都不同。

李伟等Ⅲ通过对三维四向、三维五向以及2.5 D编织体进行表征，得出浸渗能力取决于编织体平均贯穿孔的大小，而不是孔隙率的多少。陈朝辉则认为编织结构复杂的三维编织体浸渍难度较大，因为其孔隙形状复杂。譬如墨水瓶结构（孔道小，孔腔大）的孔，如果前期浸渍过程中孔腔填充度不够，通道一旦闭合就会就会留下无法填充的孔隙。

3.2 硅溶胶浓度

硅溶胶在复合材料中起着骨架的作用，浸渍过程就是硅溶胶不断在织物内部空间填充，将纤维束乃至纤维单丝包裹起来，连成一体。

姜凯等采用3种黏度的浸渍液去浸渍编织体，结果发现黏度适中的浸渍液浸渍效果最佳。黏度低的浸渍液不但毛细血管作用不强，而且在干燥过程中浸渍液由于重力流出而损失，导致最终产品的气孔率最大。黏度大的浸渍液前期浸渍效果优异，但是后期浸渍效果不理想，这主要是因为随着浸渍的进行，编织体内部的孑L隙越来越小，浸渍阻力越來越大，高黏度溶液不容易渗透到内部的孔隙中或者需要更长的渗透时间，从而影响到浸渍效果，导致材料的致密度较难提高。徐道新对5种浸渍工艺进行对比：30%质量分数硅溶胶浸渍5次，40%质量分数硅溶胶浸渍5次，50%质量分数硅溶胶浸渍5次以及梯度浸渍方式（50%质量分数1次，40%2次，30%2次），结果表明梯度浸渍下的样品性能最优。采用梯度浸渍，不但可以在浸渍的前几个周期拥有很高的浸渍效率和浸渍程度，而且在后期的浸渍过程中不会因为硅溶胶黏度大而影响剩余小孔隙的填充。

3.3辅助浸渍工艺

在有限的时间内，由于逾渗作用，编织体的浸渍程度会受到很大的影响。为了提高浸渍程度，在工艺上应当采取一些辅助方法。

段永涛指出真空机制下，在很短的时间内可以在浸渍物的表面形成一层高浓度区，与其内部形成了高浓度梯度，为浸渍过程提供了良好的动力条件。姜凯等分析了不同压力下浸渍的效果，结果表明：3 MPa浸渍压力下材料密度最低，这说明压力还不足以打开内部的闭气孔，也难以克服溶液在内部微孔中的粘滞阻力，浸渍液无法填充编织体内部的孔隙。当浸渍压力达到5 MPa时，外部压力可以克服部分粘滞阻力，从而浸渍溶液进入编织体内部的深度得到提高。当浸渍压力提升到6 MPa时，从密度情况来看，外部压力有效地打开了内部的闭气孔，很好地克服了溶液在纤维内部微孔的粘滞阻力，使得浸渍效果有效地提高。但是随着浸渍压力的继续提高，最终的材料密度也不再显著增加，这可能因为：（l）压力升高导致流速增加，摩擦损失的功大，导致实际有效压力并不是随着外加压力的增加而呈线性增加；（2）随着浸渍过程的进行，编织体浸渍程度的提高所需要的压力呈指数型增长。徐道新比较了抽真空浸渍和加压浸渍的效果，第一次浸渍过程中真空浸渍的效果要优于加压浸渍，这是因为浸渍时编织体内部有大量的气泡附着在纤维表面，不抽真空的话无法将其排除。第二次浸渍过程中加压浸渍要优于真空浸渍，这是因为硅溶胶易在界面处凝胶，对浸渍过程有着阻碍作用，加压浸渍可以使得基体表面的凝胶层脱落。

3.4其他影响因素

石英纤维表面的浸润剂不但影响复合材料的介电性能，也会影响石英纤维的浸润性。廉云清等采用有机溶剂配合热处理的方式来去除浸润剂，这种工艺不但可以去除浸润剂，而且石英纤维没有受到过多的损伤，石英纤维的浸润性能优秀。除此之外，硅溶胶中的杂质、编织体干燥方式都会影响浸渍效率，并且影响最终产品的致密化程度。

4结语

现有的浸渍工艺仍然存在着浸渍周期长、致密化程度不高等缺点。浸渍过程的前3个周期浸渍效率最高，如何在尽量短的周期内将编织体致密化是需要解决的问题。从以上分析可以看出，浸渍工艺的优化可以从以下几方面研究：（1）制备稳定、低黏度以及高固含量的硅溶胶；（2）浸渍的后半周期采用高压设备进行浸渍；（3）浸渍饱和后通过加入添加剂使硅溶剂平衡状态被破坏从而原位凝胶；（4）快速干燥技术；（5）制备在空间性能和孔隙结构都均匀的编织体。