Materiales compuestos de matriz cerámica basados en óxidos.

Una mezcla para la formación de la matriz de un artículo de material compuesto de matriz cerámica,

comprendiendo la mezcla una mezcla de polvo cerámico y una solución de precursor de alúmina, donde la mezclade polvo cerámico comprende:

entre 10% en peso y 70% en peso de mezcla de polvo de mullita y alúmina; y

hasta 25% en peso de aglutinante, siendo el aglutinante polivinilpirrolidona.

Materiales compuestos de matriz cerámica basados en óxidos

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la invención Esta invención se refiere a materiales compuestos de matriz cerámica basados en óxidos (CMC) y a un método para fabricar materiales compuestos de matriz cerámica basados en óxidos (CMC) .

2. Antecedentes Los materiales compuestos (en inglés "composite" denominado también "composite material") están hechos de dos

o más materiales constituyentes que permanecen separados y distintos a un nivel macroscópico mientras forman un único componente. Dos constituyentes principales de los materiales compuestos son la Matriz (o “aglutinante”) y el/los refuerzo (s) . La matriz sujeta el refuerzo en un patrón ordenado.

El refuerzo es más fuerte y rígido que la matriz, y da al material compuesto sus propiedades características. Los refuerzos dan propiedades físicas especiales (mecánicas y eléctricas) para mejorar las propiedades de la matriz. El material de la matriz rodea y soporta los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. La sinergia resultante produce propiedades materiales inalcanzables para materiales de procedencia natural.

Algunos de los tipos comunes de materiales compuestos son el plástico reforzado con fibra de carbono (CRP) ; el plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP o “fibra de vidrio”) ; materiales compuestos termoplásticos; materiales compuestos de matriz de metal (“MMCs”) y materiales compuestos de matriz cerámica (CMC) .

El CMC está formado de una matriz cerámica con fibras como refuerzos. El CMC tiene relativamente alta resistencia mecánica a altas temperaturas. Estos materiales soportan condiciones físicas exigentes como alta temperatura, condiciones corrosivas, oxidación y ambientes de alta acústica.

El CMC de vidrio, el CMC organometálico y el CMC sin óxidos son algunos de los materiales compuestos más comúnmente conocidos. Estos materiales compuestos tienen uso restringido debido a varias limitaciones. El CMC de vidrio tiene aplicaciones restringidas porque es difícil fabricar formas complejas con CMC de vidrio. Las cerámicas organometálicas son costosas, tienen alta constante dieléctrica y son susceptibles a oxidación. El CMC sin óxidos encuentra un uso limitado ya que su matriz empieza a romperse típicamente sobre 70MPa (10 ksi) .

En años recientes, se han fabricado matrices cerámicas basadas en óxidos (también referidas como “CMC con óxidos”) capaces de soportar altas temperaturas. Uno de estos CMC con óxidos tiene fosfato de aluminio enlazado con CMC con óxidos de alúmina como matriz y como refuerzo tejido satén Nicalon 8 de tipo 8 harness satín. Sin embargo, esta matriz sufría inversiones de fase en la matriz sobre temperaturas de aproximadamente 760º C (1400º F) . Otros CMC con óxidos muestran propiedades deseables por encima de los 760º C (1400º F) pero fallan a temperaturas por encima de 1100º C (2000º F) . Son deseables CMC con óxidos operativos por encima de 1100º C (2000º F) (p.ej. en lanzaderas espaciales) .

Se están realizando continuas mejoras para formar CMC basado en óxidos que muestren mejor estabilidad térmica y estructural a temperaturas hasta al menos de 1300º C (2400º F) .

En consecuencia, se desea fabricar CMCs de varias formas y tamaños, que puedan soportar temperaturas por encima de 1100º C (2000º F) sin degradarse. También es deseable proveer un método barato para fabricar CMC que tenga varios tamaños y formas.

El documento WO 2007/061398 A1 expone un método de formación de un artículo de CMC o un artículo de material compuesto. Una presión P aplicada contra una superficie del artículo durante un proceso de sinterizado se controla para ser lo suficientemente alto como para resistir una fuerza de separación entre las capas del material CMC causado por encogimiento anisotrópico del material y/o para resistir una fuerza de separación causada por un encogimiento diferencial entre el material CIVIC y un material cerámico monolítico contiguo.

El documento US Nº 2005/0084665 A1 expone una baldosa de cerámica que incluye un núcleo de material cerámico y un CMC con óxido, donde el núcleo de material cerámico tiene al menos una superficie cubierta con CMC con óxido.

El documento EP Nº 1 281 697 A1 expone un CMC que comprende una matriz de sol gel con partículas de alúmina mixtas o mezcladas.

El documento WO Nº 02/085618 A1 expone un material compuesto de matriz con óxido y métodos para fabricar el CMC, que incluyen métodos de fabricación de laminado húmedo, preimpregnado y bobinado de filamentos.

El documento de Jurf, A et al, “Advances in Oxide-Oxide CMC” expone avances recientes en materiales CMC óxido con oxido de composite Optics, Inc. (COI’s) incluyendo pasos básicos de procesado, propiedades materiales y técnicas de fabricación actualizadas.

El documento WO Nº 2007/014005 A1 expone un material CMC obtenido mediante infusión de una capa de barrera de difusión en una matriz porosa existente de CMC para revestir la primera fase matricial y las fibras expuestas, y luego densificar la matriz con ciclos repetidos de infiltraciones de una segunda fase matricial.

El documento US Nº 7081 294 B2 expone un material compuesto cerámico que tiene una red de fibras de refuerzo y una matriz que substancialmente incrusta la red después de una fase de cocción.

COMPENDIO DE LA PRESENTE INVENCIÓN De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona una mezcla para formar la matriz de un artículo de material compuesto de matriz cerámica, la mezcla de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método de fabricación de un artículo de material compuesto de matriz cerámica, el método de acuerdo con la reivindicación 8.

Este breve resumen se ha proporcionado para que la naturaleza de la invención se entienda rápido. Se puede obtener una compresión más completa de la invención por referencia a la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la misma en relación con los dibujos adjuntos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS QUE SE ACOMPAÑAN Las características anteriores y otras características de la presente invención se describirán ahora con referencia a los dibujos de una realización preferida. En los dibujos, los mismos componentes tienen los mismos números de referencia. La forma de realización ilustrada está destinada a ilustrar, pero no para limitar la invención. Los dibujos incluyen las siguientes figuras.

La Figura 1 muestra los pasos del proceso para la preparación material compuesto de matriz cerámica basado en óxidos, de acuerdo con un aspecto de la presente invención; La Figura 2A muestra un diagrama de flujo para la preparación de la matriz cerámica de mullita y alúmina basada en óxidos, de acuerdo con un aspecto de la presente invención; y La Figura 2B muestra un diagrama de flujo para la preparación de CMC con óxido, de acuerdo con un aspecto de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE VARIAS REALIZACIONES En un aspecto de la presente invención, se proporciona un CMC basado en óxidos (también referido como "CMC con óxido") . El CMC con óxido de la presente invención exhibe estabilidad térmica y estructural a temperaturas más allá de 1100º C (2000º F) . El CMC con óxido de la presente invención tiene una mayor capacidad de resistencia térmica, resistencia mejorada a daños y menos susceptibilidad a ser frágil a temperaturas superiores a 1100º C (2000º F) .

Para facilitar la comprensión de la base del CMC basado en óxidos, sus componentes, y el método de preparación de CMC basado en óxidos, se describirá una visión general de los pasos para formar el CMC basado en óxidos. Los pasos específicos y los componentes para formar el CMC basado en óxidos se describirán con referencia al método general de la formación de CMC basado en óxidos.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de nivel superior para la formación de un CMC basado en óxidos. En el paso S10, se selecciona una fibra cerámica. En el paso S12, la fibra cerámica se impregna con suspensión de polvo de cerámica. En el paso S14, la fibra impregnada se coloca sobre con una herramienta. En el paso S16, la fibra impregnada revestida se cura. En el paso S18, se realiza cocción sin ayuda para formar el CMC basado en óxidos.

En una disposición se forma una suspensión en polvo de cerámica se forma a partir de una matriz cerámica de mullita y alúmina (también llamado, "matriz cerámica") . La matriz cerámica comprende una solución... [Seguir leyendo]

1. Una mezcla para la formación de la matriz de un artículo de material compuesto de matriz cerámica,

comprendiendo la mezcla una mezcla de polvo cerámico y una solución de precursor de alúmina, donde la mezcla 5 de polvo cerámico comprende:

entre 10% en peso y 70% en peso de mezcla de polvo de mullita y alúmina; y hasta 25% en peso de aglutinante, siendo el aglutinante polivinilpirrolidona.

2. Una mezcla según la reivindicación 1, en donde la solución de precursor de alúmina comprende el producto de una reacción de cloruro de aluminio hexahidratado con el polvo de aluminio en un ambiente acuoso calentado.

3. Una mezcla según la reivindicación 1, en donde la mezcla en polvo de mullita y alúmina comprende mullita y alúmina en una relación entre 5/95 y 95/5.

4. Una mezcla según la reivindicación 1, en donde la mezcla de polvo cerámico comprende además hasta 20 % en peso de agente de emisividad.

5. Una mezcla según la reivindicación 1, en donde la mezcla de polvo cerámico comprende además hasta 1 % en 20 peso de antiespumante.

6. Una mezcla según la reivindicación 1, en donde la solución de precursor de alúmina tiene una densidad entre 0, 5 g/cm3 y 5, 0 g/cm3.

7. Un preimpregnado de material compuesto de matriz cerámica que comprende material de fibras de cerámica impregnadas con una mezcla como la reivindicada en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

8. Un método de fabricación de un artículo de material compuesto de matriz cerámica, comprendiendo el método:

preparar una solución de precursor de alúmina; tratar la solución de precursor de alúmina con una mezcla de polvos cerámico para formar una mezcla como la reivindicada en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6; formar una suspensión homogénea de la mezcla; infiltrar la suspensión homogénea en material de fibra cerámica para formar un preimpregnado; y curar y

sinterizar el preimpregnado para formar el artículo de material compuesto de matriz cerámica.

9. Un método según en la reivindicación 8, en donde el curado ocurre a aproximadamente 177º C (350º F) en una bolsa de vacío.

10. Un método según en la reivindicación 8, en donde la sinterización ocurre entre 816º C (1500º F) y 1316º C (2400º F) .