ES3053595T3

ES3053595T3 - Method of making a ceramic matrix composite

Info

Publication number: ES3053595T3
Application number: ES19703875T
Authority: ES
Inventors: James Taggart
Original assignee: Albany Engineered Composites Inc
Current assignee: Albany Engineered Composites Inc
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2026-01-23
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: CN111615504A; KR102720128B1; EP3740462B1; BR112020014259A2; CA3088532A1; EP3740462A1; RU2020123783A3; EP3740462C0; JP2021511278A; WO2019143768A1; JP7481256B2; US20190225552A1; KR20200111171A; RU2020123783A; MX2020007134A

Abstract

Se describe un método para fabricar un compuesto de matriz cerámica. Una preforma se somete a una o más infiltraciones con una suspensión compuesta por un disolvente, un aglutinante de matriz y partículas. La eliminación del disolvente entre infiltraciones se logra aprovechando las diferentes propiedades químicas o físicas del disolvente y el aglutinante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Método de hacer un material compuesto de matriz cerámica

[0003] Antecedentes

[0004] 1. Campo de la divulgación

[0005] La presente divulgación se refiere a un método de hacer un material compuesto de matriz cerámica. En particular, la divulgación se refiere a la infiltración de un material de matriz en una preforma del compuesto.

[0006] 2. Técnica relacionada

[0007] Los compuestos de matriz cerámica (CMC) son un subgrupo de materiales compuestos, así como un subgrupo de cerámicos. Los CMC tienen fibras cerámicas integradas en una matriz cerámica para formar un material cerámico reforzado con fibra cerámica. La matriz y las fibras pueden incluir cualquier material cerámico o carbono y fibras de carbono.

[0008] Los materiales cerámicos de óxido se dividen en dos categorías, cerámicos de óxido monolíticos y compuestos de matriz cerámica de óxido (CMC). Los materiales cerámicos de óxido monolíticos están compuestos de polvos cerámicos de óxido puros que han sido comprimidos y sinterizados por calor por encima de 1600ºC. Los CMC de óxido están compuestos de una matriz cerámica de óxido reforzada con fibras cerámicas de óxido. Las fibras de óxido ofrecen propiedades mecánicas mejoradas sobre los monolíticos. Debido a la naturaleza delicada del refuerzo de fibra, los CMC de óxido típicamente se fabrican usando suspensiones líquidas o bien recubiertas sobre la fibra/tela de óxido tal como preimpregnación (“prepregging”) o infiltración líquida en la preforma de fibra de óxido tal como procesamiento sol-gel.

[0009] Las fibras de carbono (C), carburo de silicio (SiC), alúmina (Al<2>O<3>) y mullita (Al<2>O<3>-SiO<2>) se usan comúnmente para los CMC. Las partículas (denominadas “bigotes” o “plaquetas”) se incrustan en la matriz. Los materiales de matriz incluyen C, SiC, alúmina y mullita.

[0010] Los procesos de fabricación habitualmente consisten en tres etapas: (1) estratificación y fijación de las fibras en una preforma de la forma deseada; (2) infiltración del material de matriz; y (3) mecanizado final y, si se requiere, tratamientos adicionales como recubrimiento o impregnación para reducir la porosidad.

[0011] La mayoría de los CMC de óxido son laminados multicapa bidimensionales (2D). Esto típicamente se hace mediante preimpregnación de tejido seco con una suspensión de matriz de óxido de aluminio solvatado que contiene un aglutinante. Es decir, la suspensión contiene un solvente, aglutinante de matriz, y partículas. La matriz es termoestable y solo parcialmente curada para permitir el fácil manejo durante el procesamiento posterior. El CMC de óxido preimpregnado se someterá después a una temperatura que curará por completo el material de matriz.

[0012] Las capas para el compuesto CMC de óxido después se cortan del tejido preimpregnado y se colocan en una bolsa de vacío (para procesamiento en autoclave) o se procesan en prensa para compactación. Una vez se hace esto, se realiza una etapa de curado en horno y proceso de sinterización para completar el procesamiento. En el caso de que se desee densificación adicional, habitualmente se hace infiltración al vacío con suspensiones diluidas variables que contienen el 20-60% (fracción en peso) de sólidos para mejorar la infiltración a través del CMC de óxido reforzado. Otro método de proceso común es colocar una pila de capas 2D secas o una preforma tridimensional (3D) e infiltrar con suspensión de óxido de aluminio. En este enfoque, las capas secas se apilan entre dos placas de herramientas (platinas) y se infiltra en un baño de suspensión con una formulación de suspensión de óxido que contiene alto contenido de sólidos, con frecuencia el 75% o mayor (fracción en peso) de sólidos. Esto va seguido por una etapa de curado y una etapa de sinterización. El CMC de óxido se refuerza después y es “independiente”, lo que significa que ya no necesita estar en una herramienta.

[0013] El CMC de óxido “independiente” curado/sinterizado se puede reinfiltrar por una serie adicional (una o más) de inmersiones del CMC de óxido en un baño de suspensión con una formulación de suspensión de óxido que contiene una baja fracción en peso de sólidos de óxido. Esto otra vez va seguido por una etapa de curado y sinterización. Las etapas de reinfiltración y curado/sinterización se repiten después, con suspensiones más diluidas (para mejorar la infiltración) hasta que se alcanzan la densidad y porosidad deseadas.

[0014] Los CMC de óxido usando estos métodos pueden llevar mucho tiempo y pueden ser difíciles de implementar en compuestos que tienen geometrías complejas. Para el enfoque de preimpregnación de óxido de alúmina 2D, hay varias dificultades significativas. Estas incluyen:

[0015]  Estratificar formas complejas con preimpregnación de CMC de óxido puede ser desafiante ya que con frecuencia la preimpregnación de óxido tiene poca caída y con frecuencia tiene malas características de flujo (debido a las partículas submicrónicas infiltradas).

[0016]  Formar capas alrededor de radios agudos o bordes agudos, especialmente usando capas fuera de eje, puede ser muy difícil de alcanzar sin producir arrugas u otras anomalías en las capas.

[0017]  Los kits de capas para partes complejas, especialmente si se usan capas fuera de eje, pueden ser muy grandes (muchos tamaños diferentes y capas de configuración). Esto puede consumir mucho tiempo para ensamblar y puede producir errores de estratificación humanos.

[0018]  La estratificación de capas, empaquetado al vacío, y ciclos de autoclave podrían ser lentos y con mucho trabajo. Además, las infiltraciones de suspensión también tienen dificultades, estas incluyen:

[0019]  Las infiltraciones de suspensión adicionales podrían “cerrar” las superficies externas y hacer inaccesible la porosidad interna del CMC. Es decir, las partículas de la suspensión pueden no infiltrarse en el centro del núcleo del CMC en ciclos de procesamiento posteriores. Las superficies externas del CMC se pueden volver densas con baja porosidad e inhibir la infiltración de la matriz en el centro del CMC que todavía tiene áreas porosas. Pueden ser necesarias etapas adicionales de procesamiento, tal como mecanizado, para hacer las áreas porosas internas accesibles.

[0020]  Las infiltraciones de suspensión adicionales en baños podrían producir acumulaciones de matriz en localizaciones indeseadas que requieren mecanizado final para mantener las tolerancias dimensionales del CMC de óxido. Los documentos US2004/096619A1, EP1043293A1, y WO2014/143117A1 divulgan métodos previamente conocidos de hacer compuestos de matriz cerámica.

[0021] Compendio

[0022] La presente divulgación describe un método de hacer un compuesto de matriz cerámica de óxido como se define en las reivindicaciones adjuntas. El método incluye infiltrar una preforma tejida con suspensión que tiene un solvente, aglutinante de matriz, y partículas. Al menos algo del solvente se elimina sin curar el aglutinante de matriz. La infiltración y eliminación de solvente se repite hasta que se alcanza una característica deseada de la preforma. La característica deseada es al menos una seleccionada del grupo que consiste en densidad, porosidad y fracción de volumen de fibra. Después de alcanzar la característica deseada la suspensión se cura y la preforma se sinteriza. Al menos algo del solvente se elimina explotando una diferencia en la temperatura del punto de ebullición entre el solvente y el aglutinante de matriz.

[0023] La preforma se calienta a una temperatura mayor que el punto de ebullición del solvente y menor que el aglutinante de matriz para evaporar el solvente, que después se infiltra en la preforma con la suspensión y el solvente evaporado extraído. En una implementación particular el solvente es alcohol isopropílico o acetona, el aglutinante de matriz es silicato de aluminio o silano, y las partículas sólidas son un material cerámico de óxido.

[0024] Se contempla en ciertas formas de realización que el solvente puede ser agua y las partículas pueden ser dióxido de silicio en combinación con un aglutinante de matriz. Más en particular, en ciertas formas de realización las partículas pueden ser sílice coloidal.

[0025] En algunas implementaciones, las partículas sólidas tienen una distribución de tamaño en el intervalo de 1 nanómetro a 1000 nanómetros. En algunas implementaciones, la suspensión tiene partículas sólidas entre el 50% y el 85% en peso y solvente entre el 15% y el 50% en peso. En particular, en algunas implementaciones, la suspensión tiene partículas sólidas entre el 75% y el 81% en peso y solvente entre el 19% y el 25% en peso.

[0026] En algunas formas de realización, el material cerámico de óxido se selecciona del grupo que consiste en óxido de aluminio, dióxido de circonio, y circonia estabilizada con itria.

[0027] Breve descripción de los dibujos

[0028] Los dibujos acompañantes, que se incluyen para proporcionar un entendimiento adicional de la invención, se incorporan y constituyen una parte de esta especificación. Los dibujos presentados en el presente documento ilustran diferentes formas de realización de la invención y junto con la descripción sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

[0029] La figura 1 ilustra una organización de sistema generalizada para la densificación de un CMC por infiltración de suspensión.

[0030] La figura 2 es un diagrama de flujo de una implementación del método divulgado; y

[0031] La figura 3 ilustra varios tipos de arquitecturas de fibras 3D.

[0032] Descripción detallada

[0033] Los términos “comprender” y “comprende” en esta divulgación pueden significar “incluir” e “incluye” o pueden tener el significado comúnmente dado al término “comprender” o “comprende” en la Ley de Patente de los EE UU. Los términos “consistir esencialmente en” o “consiste esencialmente en” si se usan en las reivindicaciones tienen el significado atribuido a ellos en la Ley de Patente de los EE UU. Otros aspectos de la invención se describen en o son obvios a partir de (y dentro del ámbito de la invención) la siguiente divulgación.

[0034] Los términos “hebras”, “fibras”, “estopas” e “hilos” se usan de forma intercambiable en la siguiente descripción. “Hebras”, fibras”, “estopas” e “hilos” como se usan en el presente documento pueden referirse a monofilamentos, hilos multifilamento, hilos retorcidos, estopas multifilamento, hilos texturizados, estopas trenzadas, hilos recubiertos, hilos bicomponente, así como hilos hechos de fibras rotas elásticas de cualquier material que conocen los expertos en la materia. Los hilos pueden estar hechos de carbono, nailon, rayón, fibra de vidrio, algodón, cerámica, aramida, poliéster, metal, vidrio de polietileno, y/u otros materiales que muestran propiedades físicas, térmicas, químicas u otras deseadas.

[0035] “Suspensión” significa una dispersión de sólidos, por ejemplo, partículas, tal como partículas cerámicas, en un portador líquido (solvente), que también puede contener aditivos tal como aglutinantes, tensioactivos, dispersantes, etc. “CMC” significa compuesto de matriz cerámica. Una subcategoria de CMC incluye “CMC de óxido”.

[0036] Para un mejor entendimiento de la invención, sus ventajas y objetos logrados por sus usos, se hace referencia a la materia descriptiva acompañante en la que formas de realización no limitantes de la invención se ilustran en los dibujos acompañantes y en la que los correspondientes componentes se identifican por los mismos números de referencia. La presente divulgación se dirige a un método de producir un compuesto de matriz cerámica de óxido por infiltración de suspensión de una preforma, tal como una estratificación de laminado tejida 2D, preforma creada por colocación de fibra guiada por pasador, preforma tejida 3D o una preforma trenzada (los tipos de preforma de fibra se incluyen de aquí en adelante en el término “preforma” o “preforma de fibra”) en una herramienta de preforma/molde (también denominado de forma intercambiable “herramienta” o “herramienta de inyección”). Una característica del presente método es la eliminación del solvente de la suspensión de la herramienta de inyección sin permitir un curado completo o fraguado del aglutinante.

[0037] El presente método se aprovecha de, o explota, diferencias en las propiedades químicas o físicas entre el solvente y el aglutinante. Usando la diferencia de propiedad, el proceso para eliminar el solvente y no curar por completo el aglutinante puede permitir mejor control de la densidad, porosidad, y fracción de volumen de fibra del CMC resultante. El aglutinante sin curar permite que las partículas/aglutinante fluya en el molde permitiendo la manipulación de los factores de diseño tal como los factores de diseño CMC finales tal como densidad, porosidad, y fracción de volumen de fibra, etc.

[0038] Infiltrado

[0039] En algunas formas de realización, la suspensión de inyección usada en este proceso comprende materiales cerámicos de óxido incluyendo partículas de óxido de aluminio o circonia estabilizada con itria (YSZ o ZrO<2>), un aglutinante de matriz (“aglutinante”), y un solvente. Las partículas en esta suspensión típicamente son partículas submicrónicas molidas que tienen una distribución de tamaño desde 1 nanómetro hasta 1000 nanómetros. En una forma de realización, las partículas pueden ser dióxido de silicio y, en una forma de realización particular, partículas de sílice coloidal. La suspensión puede tener sólidos en el intervalo desde el 50-85% (fracción en peso) y solvente en el intervalo del 15-50% (fracción en peso). La suspensión que tiene sólidos en el intervalo del 55-85% (fracción en peso) y solvente en el intervalo del 15-45% (fracción en peso) puede ser más eficientes respecto al tiempo que usar sólidos en el intervalo del 50-54%. Se anticipa que se pueden usar suspensiones que tienen sólidos del 60-75% (fracción en peso) y solvente del 25-40% (fracción en peso). En una implementación particular, una suspensión de óxido de aluminio tiene sólidos en el intervalo del 75-81% (fracción en peso) y solvente en el intervalo del 19-25% (fracción en peso). El aglutinante usado puede ser un silicato de aluminio, silano, u otro aglutinante de matriz comúnmente conocido. El solvente usado es un solvente muy volátil tal como alcohol isopropílico (IPA), acetona, o similar. “Muy volátil” significa más volátil que el aglutinante de matriz. En algunas formas de realización, el solvente puede ser agua.

[0040] Como tal, el CMC comprende tres componentes: (1) un solvente, (2) un aglutinante de matriz, y (3) partículas. El CMC incluye cualquier combinación de los tres componentes. Por ejemplo, el solvente puede ser cualquiera de alcohol isopropílico, acetona, o agua; el aglutinante de matriz puede ser cualquiera de silicato de aluminio, silano, u otro aglutinante de matriz comúnmente conocido; y las partículas pueden ser un material cerámico incluyendo partículas de óxido de aluminio o circonia estabilizada con itria (YSZ o ZrO<2>), o puede ser dióxido de silicio (que incluye sílice coloidal). Cada uno de estos componentes se puede caracterizar como se describe en el presente documento anteriormente.

[0041] Preforma de fibra

[0042] La estratificación de fibra seca tejida 2D (o prepreg), preforma tejida tridimensional (3D), preforma creada por colocación de fibra guiada por pasador, preforma trenzada, u otra(s) preforma(s) se puede(n) producir con fibra de óxido de aluminio. La arquitectura 2D puede tener un programa de estratificación de capas de estructura laminada incluyendo 0º/90º, 0º/-45º/90º/45º o cualquier combinación de las mismas. Programa de estratificación “0º/90º” significa que las fibras de urdimbre alternan entre estar a 0º y 90º, con respecto a una referencia arbitraria, en capas sucesivas. El programa de estratificación “0º/-45º/90º/45º” proporciona el ángulo de las fibras de la urdimbre, con respecto a una referencia arbitraria, en capas sucesivas. Similarmente, se podría usar una estratificación 0º/-60º/90º/60º.

[0043] En algunos casos, la preforma es una técnica de forma casi neta del producto que se fabrica. Es decir, la preforma está muy cerca de la forma final (neta) deseada, que puede reducir la necesidad de terminado de superficie, mecanizado o molido, y/o residuos. Además, el tiempo de procesamiento se puede reducir.

[0044] La arquitectura de fibra 3D puede ser o bien ortogonal 310, capa a capa 320, o entrelazada en ángulo 330 como se muestra en la figura 3. Los volúmenes de fibra en las direcciones de urdimbre y trama (lleno) puede variar dependiendo de la aplicación. La fibra de óxido de aluminio puede ser, por ejemplo, cualquiera de las calidades de fibra Nextel® de 3M® y en cualquier denier u otras fibras similares.

[0045] Herramientas y equipo

[0046] La figura 1 ilustra un diagrama simplificado de un sistema de infiltración de matriz que se puede usar para implementar el presente método para hacer un CMC de óxido. El sistema incluye una entrada de matriz 105 para proporcionar la suspensión de matriz y una salida de matriz 110 para eliminar la suspensión de matriz y, en particular, el solvente de la suspensión, de la preforma (no mostrado). La preforma se dispone en una cavidad en una herramienta de inyección 115, la cavidad tiene una forma complementaria a la preforma. La herramienta de inyección está en al menos dos partes de modo que la cavidad se puede exponer para acomodar la preforma.

[0047] Las partes de la herramienta de inyección 115 se pueden mantener juntas mediante una prensa de herramienta que tiene una platina superior 120a y una platina inferior 120b. Las platinas 120a, 120b sirven el fin de mantener las partes de la herramienta de inyección juntas contra la presión de la infiltración de la suspensión de matriz. Calentadores, no mostrado, para aplicar calor a la herramienta de inyección pueden ser parte de, o estar separados de, la prensa de herramientas.

[0048] La entrada de matriz 105 incluye un inyector de cilindro 125 para proporcionar suspensión de matriz a presión positiva a través de un tubo 130 a uno o más puertos de entrada 135 de la herramienta de inyección 115. Se puede proporcionar una válvula 160 para inhibir el flujo en la preforma cuando el solvente se elimina durante la densificación de la preforma. La salida de matriz 110 incluye una bomba de vacío 150 para proporcionar presión negativa a través de una trampa de matriz 145 y un tubo 155 a uno o más puertos de salida 140 de la herramienta de inyección 115.

[0049] La presión positiva aplicada a la suspensión de matriz en una o más puertos de entrada 135 combinada con la presión negativa aplicada a uno o más puertos de salida 140 puede ayudar en la distribución homogénea de la suspensión de matriz en toda la preforma durante la infiltración. La trampa de matriz 145 puede capturar el exceso de suspensión que sale por uno o más puertos de salida 140 durante la infiltración de suspensión. La presión negativa aplicada a uno o más puertos de salida 140 también puede extraer solvente para la densificación de la preforma.

[0050] En uso, la válvula 160 está abierta para permitir que se suministre la suspensión de matriz con presión positiva desde el inyector de cilindro a la preforma en la herramienta de inyección. Se puede aplicar presión negativa por la bomba de vacío para ayudar en sacar la suspensión de matriz en toda la preforma. La suspensión que sale de la herramienta de inyección puede ser una indicación de que la suspensión ha infiltrado la preforma. El exceso de suspensión que sale de la herramienta de inyección se puede capturar por la trampa.

[0051] La válvula 160 se puede cerrar durante la densificación de la preforma. En esta parte del proceso, el solvente se separa de la suspensión de matriz y se saca de la herramienta de inyección por la presión negativa aplicada al uno o más puertos de salida. Las partículas de óxido sólidas y el aglutinante en la suspensión permanecen en los espacios intersticiales de la preforma, haciendo de esta manera la preforma más densa.

[0052] Procesos

[0053] La figura 2 ilustra un diagrama de flujo 200 para un método de hacer un CMC de óxido según la presente divulgación. Una estratificación de laminado tejido 2D, preforma tejida 3D, preforma creada por colocación de fibra guiada por pasador, preforma trenzada, u otra preforma (en general, “preforma”) se prepara 210 según técnicas que conocen los expertos en la materia.

[0054] La preforma se dispone en una herramienta de inyección, tal como una herramienta de molde de transferencia de resina en una etapa 220 y después la herramienta de inyección se carga en una prensa de herramienta de inyección 230 que aplica una presión a la herramienta de inyección para mantener la herramienta junta durante la posterior aplicación de una presión a la herramienta.

[0055] La preforma en la herramienta de inyección y prensa se somete a una primera infiltración de suspensión, en las etapas 240, 242, 244, 246, 248, y 250. En la etapa 240, la suspensión se inyecta a una presión positiva en un puerto de entrada de la herramienta de inyección y en la preforma en la herramienta. Se puede aplicar una presión negativa o de vacío 242 para ayudar en dispersar homogéneamente la suspensión en toda la preforma.

[0056] En una implementación particular, la suspensión es una mezcla solvatada en IPA compuesta de partículas de óxido de aluminio submicrónicas y un aglutinante de silano. La preforma puede ser, por ejemplo, una carcasa de ventana de antena de avión que tiene un tamaño nominal de 8,56” x 8,56” x 0,938” (21,7 cm x 21,7 cm x 2,4 cm). La suspensión se puede inyectar en la herramienta de inyección a una presión de 200-250 psi (10340-12930 mmHg) y una velocidad de flujo de aproximadamente 50 cc/min. Además del ejemplo de la carcasa de ventana de antena de avión anterior, los CMC de óxido encuentran uso en otras aplicaciones incluyendo estructuras de escape de la turbina, radomos, misiles, satélites y otras aplicaciones de entorno caliente.

[0057] La presión de la suspensión en la herramienta de inyección se libera después y se aplica calor 244 a la suspensión en la preforma calentando la herramienta del molde de inyección. Cuando la suspensión alcanza una temperatura predeterminada, se inicia una etapa de eliminación del solvente 246 para extraer solvente de la preforma. Se puede usar una bomba de vacío para aplicar una presión negativa en un puerto de salida de la herramienta de inyección para ayudar en extraer el solvente. Después de la eliminación del solvente, el calor se retira y la herramienta de inyección se deja enfriar en una etapa 248. La eliminación del solvente de la suspensión deja las partículas de óxido sólidas de la suspensión en los espacios intersticiales de la preforma, haciendo de esta manera la preforma más densa.

[0058] Se permite la eliminación del solvente sin curar por completo el aglutinante de la matriz haciendo uso de las propiedades físicas diferenciales entre el solvente y el aglutinante. Las diferencias en propiedades físicas incluyen diferentes puntos de ebullición, diagramas de fases, ecuaciones y curvas de presión de vapor, reactividad y similares. Es decir, el aglutinante está “en fase B”. La “fase B” es un proceso para eliminar al menos algo del solvente de un adhesivo, permitiendo de esta manera que la construcción sea “en fases” que significa un sólido que se ha curado solo parcialmente.

[0059] La diferencia en temperatura de ebullición entre el solvente y el aglutinante de matriz se usa para evaporar el solvente, pero para evitar curar el aglutinante de la matriz. En un ejemplo, la suspensión es una mezcla solvatada en IPA compuesta de partículas de óxido de aluminio submicrónicas y un aglutinante de silano. En este ejemplo, se aplica calor para subir la temperatura de la suspensión al punto de ebullición del solvente IPA de 180ºF (82,5ºC), a presión atmosférica, que está por debajo de la temperatura de curado del aglutinante de silano de 250ºF (121,1ºC). Como tal, subir la temperatura de la suspensión a aproximadamente 180ºF (82,5ºC) producirá que el solvente IPA se destile, o evapore, sin curar el aglutinante de matriz de silano. Se puede aplicar una presión de succión de vacío a la herramienta de inyección para extraer el solvente evaporado. Por ejemplo, se puede usar una presión de succión de 20 inHg (508 mmHg).

[0060] La eliminación del solvente puede crear porosidad libre/abierta en la preforma. Es decir, se crea volumen abierto en la preformar al eliminar solvente del aglutinante en la preforma. Por ejemplo, si la suspensión es el 80% de sólidos y el 20% solvente en peso, entonces el solvente eliminado produce que permanezca alguna porosidad en la preforma. En la etapa 250, se hace una determinación de si el CMC de óxido tiene una densidad, porosidad, y/o fracción de volumen de fibra deseadas. Si el CMC de óxido no tiene la densidad, porosidad, y/o fracción de volumen de fibra deseadas se puede realizar una segunda infiltración de suspensión según las etapas 240-250 con la misma o diferente formulación de suspensión.

[0061] En una segunda infiltración, el volumen abierto en la preforma creado de la primera eliminación de solvente se llena con suspensión. Después se elimina el solvente de la segunda infiltración, creando porosidad libre/abierta para infiltraciones adicionales, si se requiere. Esto se repite hasta que se alcanza la densidad, porosidad, y/o fracción de volumen de fibra de CMC deseadas.

[0062] En una implementación particular, se usa la misma formulación de suspensión que en la primera infiltración. En esta implementación no son necesarias ni dilución ni formulaciones de suspensión alternativas. Como en la implementación discutida anteriormente en la primera infiltración de una carcasa de ventana de antena de avión, la suspensión se puede inyectar en el molde de inyección a una presión de 200-250 psi (10340-12930 mmHg) y una velocidad de flujo de aproximadamente 50 cc/min. El volumen de suspensión en una segunda infiltración es habitualmente menor que en la primera infiltración.

[0063] Después de completar las infiltraciones, la herramienta de inyección y preforma se calienta a una temperatura para curar 252 el aglutinante de matriz en la preforma. Después de curar el aglutinante de matriz, el calor se elimina de la herramienta de inyección y la herramienta se deja enfriar en una etapa 254. La herramienta de inyección se retira de la prensa 256. El CMC después se desmolda (es decir, se retira de la herramienta de inyección) 258 y se sinteriza 260. Las temperaturas de sinterización típicas son 1000ºC-1200ºC.

[0065] Otras formas de realización están dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un método de hacer un compuesto de matriz cerámica de óxido, que comprende:

proporcionar una herramienta de inyección con al menos dos partes y una cavidad en la misma; disponer una preforma tejida en la cavidad de la herramienta de inyección, la cavidad tiene una forma complementaria a la preforma tejida;

infiltrar la preforma tejida con una suspensión que tiene un solvente, aglutinante de matriz, y partículas sólidas mediante el uso de una entrada de matriz en comunicación con un inyector de cilindro y una salida de matriz en comunicación con una bomba de vacío y una trampa de matriz;

eliminar al menos algo del solvente sin curar el aglutinante de matriz, usando calentadores para calentar la herramienta de inyección, y mediante ello calentar la preforma tejida a una temperatura mayor que el punto de ebullición del solvente y menor que el punto de ebullición del aglutinante de matriz para evaporar el solvente y extraer el solvente una vez evaporado;

repetir la infiltración y eliminación del solvente hasta que se alcance una característica deseada de la preforma tejida;

curar el aglutinante de matriz en la herramienta de inyección después de alcanzar la característica deseada y sinterizar la preforma;

en donde la característica deseada es al menos una seleccionada del grupo que consiste en densidad, porosidad y fracción de volumen de fibra.

2. El método según la reivindicación 1, en donde la eliminación de al menos algo del solvente incluye aplicar un vacío mediante el uso de una bomba de vacío aplicando una presión negativa a un puerto de salida de la herramienta de inyección para ayudar en extraer el solvente.

3. El método según la reivindicación 1, en donde

el solvente es alcohol isopropílico o acetona; y

el aglutinante de matriz es silicato de aluminio o silano;

en donde las partículas sólidas son un material cerámico de óxido y tienen una distribución de tamaño en el intervalo de 1 nanómetro a 1000 nanómetros.

4. El método según la reivindicación 3, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 50% y el 85% en peso y solvente entre el 15% y el 50% en peso.

5. El método según la reivindicación 4, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 75% y el 81% en peso y solvente entre el 19% y el 25% en peso.

6. El método según la reivindicación 4, en donde el material cerámico de óxido se selecciona del grupo que consiste en óxido de aluminio, dióxido de circonio, y circonia estabilizada con itria.

7. El método según la reivindicación 1, en donde

el solvente es agua;

el aglutinante de matriz es silicato de aluminio o silano; y

las partículas sólidas son dióxido de silicio.

8. El método según la reivindicación 7, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 50% y el 85% en peso y solvente entre el 15% y el 50% en peso, en donde dichas partículas tienen una distribución de tamaño en el intervalo de 1 nanómetro a 1000 nanómetros.

9. El método según la reivindicación 8, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 75% y el 81% en peso y solvente entre el 19% y el 25% en peso, en donde dichas partículas tienen una distribución de tamaño en el intervalo de 1 nanómetro a 1000 nanómetros.

10. El método según la reivindicación 7, en donde las partículas son sílice coloidal.

11. El método según la reivindicación 1, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 50% y el 85% en peso y solvente entre el 15% y el 50% en peso.

12. El método según la reivindicación 11, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 55% y el 85% en peso y solvente entre el 15% y el 45% en peso.

13. El método según la reivindicación 12, en donde la suspensión tiene partículas sólidas entre el 75% y el 81% en peso y solvente entre el 19% y el 25% en peso.

14. El método según la reivindicación 1, en donde el tipo de preforma tejida se selecciona del grupo que consiste en una fibra seca tejida bidimensional o estratificación prepreg, estratificación laminada tejida bidimensional, preforma creada por colocación de fibra guiada por pasador, y preforma tejida tridimensional.