專利名稱：一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，所述低溫為一 40~30(TC，屬于炭基復合材料技術領域。
(二)
背景技術：
隨著航天和航空等尖端技術的發(fā)展，對材料的性能要求越來越高。先進復合 材料主要指具有高強度、高模量、耐高溫和低比重特性的纖維增強復合材料，這 種復合材料可用于加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當于或超 過合金。高性能復合材料是國防高技術發(fā)展的基礎，是新一代武器裝備發(fā)展的基 礎，也是軍用和民用飛機發(fā)展的基礎。然而隨著服役時間的增加，復合材料部件 不可避免地產生局部損傷和微裂紋。如果這些損傷部位得不到及時的修復，不僅 很大程度上影響到結構件的正常使用性能，縮短其使用壽命，而且可能由此引發(fā) 宏觀裂縫引發(fā)斷裂，造成重大事故，而對其進行更換、再生產無疑會造成資源的 巨大浪費。因此，發(fā)展可恢復其結構完整性的修復方法顯得十分重要。
與傳統(tǒng)的連接工藝，如機械連接、焊接相比，粘接具有增重小，應力分布相 對均勻，能夠粘接異質材料等特點。粘接技術的核心是研制出具有很強的粘接性 能，耐老化性能和一定耐高溫，耐熱震性能的粘接劑。
(三)

發(fā)明內容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，
所述低溫為一40 30(TC。用該技術粘接后的炭基復合材料在室溫具有很大的剪切 強度，剪切性能測試后表現為基體斷裂機制；并且材料在280'C下進行150次熱 循環(huán)后，能保持一定的強度，在63'C下老化介質浸泡120小時后，表現出較小的增重率。
2、技術方案本發(fā)明一種炭基復合材料用低溫(_40 300°C)粘接劑的制
備方法，其特點是包括以下三部分工藝炭基復合材料的表面處理、粘接劑的 制備和粘接固化及高溫熱處理工藝。
本發(fā)明一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，該低溫粘接劑是指在一
40 30(TC情況下使用的粘接劑，其制備方法的具體步驟如下
步驟一炭基復合材料的表面處理 粘接面的表面處理按照以下程序進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽；然后將試樣浸入無水乙醇內用超聲波清 洗機清洗30分鐘，最后在80'C的環(huán)境下干燥4小時；
步驟二粘接劑的制備
粘接劑由20 30wt,/。(質量百分數)的有機硅樹脂，40-50 wt.。/。的低熔點填 料，30 35wt.。/。的鋁粉和0 0.5 wty。的炭纖維混合而成，其制備步驟如圖2所示。 將低熔點填料、鋁粉混合均勻，在140'C下干燥2小時，然后研磨l小時，過篩制 得固體混合物后與炭纖維均勻混合，得到固體混合物；將有機硅樹脂與溶劑混合 后，加入偶聯(lián)劑，在8(TC水浴加熱1小時制成液態(tài)混合物；將固體混合物和液態(tài) 混合物混合、攪拌均勻，得到粘接劑。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時， 其間加入與粘接劑的質量比為l: 4的二甲苯以保證其較低的黏度。
步驟三粘接固化及高溫熱處理工藝
將已配制好的粘接劑均勻地涂覆在粘接面上，再將它與炭纖維增強的炭基復
合材料粘接在一起，最后將其放入高真空加熱爐內使其在真空環(huán)境下260 'C固化 2小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力。
其中，步驟二中所述的有機硅樹脂、低熔點填料和炭纖維是工業(yè)標準，而鋁 粉是分析純標準。
其中，步驟二中所述的有機硅樹脂是正硅酸四乙酯等。
其中，步驟二中所述的低熔點填料是陶瓷粉等。
其中，步驟二中所述的低熔點填料的熔點為445 °C、粒度為200-300目。 其中，步驟二中所述的鋁粉的粒度為200 325目。 其中，步驟二中所述的炭纖維的牌號是T800。
5其中，步驟二中所述的溶劑是丙酮。 其中，步驟二中所述的偶聯(lián)劑是硅烷偶聯(lián)劑。 其中，步驟三中所述的真空環(huán)境的真空度為一0.1MPa。 3、優(yōu)點及功效本發(fā)明一種炭基復合材料用低溫(一40 300'C)粘接劑的制
備方法，其優(yōu)點及其功效在于制備成本較低，粘接強度高，較高的耐熱疲勞性
能和耐老化性能，材料在28(TC下進行150次熱循環(huán)后，它能保持一定的強度， 材料在63'C下老化介質浸泡120小時后，表現出較小的增重率。
(1) 本發(fā)明粘接后的炭基復合材料在室溫具有很大的剪切強度，剪切測試 后表現為基體斷裂機制，如圖3所示。
(2) 本發(fā)明后粘接后的炭纖維增強炭基復合材料在280 'C下進行40次熱循 環(huán)后粘接強度仍有90%的保持率，為33MPa左右，熱循環(huán)對試樣的粘接性能的影 響甚微。而隨著熱循環(huán)次數的增加，粘接強度減少的趨勢明顯，試樣在28(TC熱 循環(huán)150次時，其強度仍大于4MPa，此時粘接層并沒有完全失效。因此該粘接劑 具有較好的耐熱疲勞性能，如圖4所示。
(3) 本發(fā)明后粘接后的炭纖維增強的炭基復合材料具有較強的抗老化性能: 在63t的空氣中靜置120h后，增重率為0.16%;在63°。的純水中浸泡120h后， 增重率為1.27 %;在63'C的0.1 g/mL鹽溶液中浸泡120 h后，增重率為1.25 %; 而在63'C的航空煤油中浸泡120h后，增重率為0.73%。如圖5所示。


圖l.所示為本發(fā)明技術方案的實施步驟流程圖 圖2.所示為粘接劑制備的步驟流程圖 圖3.最佳試樣經層剪測試后的開裂情況 圖4.粘接強度與熱循環(huán)次數的關系曲線
圖5.不同潮濕性環(huán)境下修復試樣、T300/BMP-316復合材料以及粘接劑的
增重率
圖6.所示為剪切性能測試的示意圖(a)為垂直方向剪切性能測試示意圖； (b)為平行方向剪切性能測試示意圖。 圖中符號說明如下T為剪切強度，單位為兆帕(MPa);
T300/BMP-316為炭纖維增強炭基復合材料；
AW。/。為增重百分率。 單位說明-°C 攝氏度 MPa 兆帕 wt.%質量百分數 h 小時
具體實施例方式
本發(fā)明一種炭基復合材料用低溫(一40 30(TC)粘接劑的制備方法，該方法 具體實施步驟如下-
步驟一炭基復合材料的表面處理
粘接面的表面處理按照以下程序進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨，
并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將試樣浸入無水乙醇內用超聲波清
洗機清洗30分鐘，最后在80'C的環(huán)境下干燥4小時。
步驟二粘接劑的制備
粘接劑由22 wt.Q/。的有機硅樹脂正硅酸四乙酯，45 wt,/。的250目低熔點填料 陶瓷粉，32.7 wt。/。的275目鋁粉和0.3wt。/。的炭纖維混合而成，其制備步驟如圖 2所示。將低熔點填料陶瓷粉、鋁粉混合均勻，在14(TC下干燥2小時，然后研 磨1小時，過篩制得固體混合物后與炭纖維均勻混合，得到固體混合物；將有機 硅樹脂正硅酸四乙酯與丙酮混合后，加入硅烷偶聯(lián)劑，在8(TC水浴加熱1小時 制成液態(tài)混合物；將固體混合物和液態(tài)混合物混合、攪拌均勻，得到粘接劑。 將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量比為1: 4的 二甲苯以保證其較低的黏度。
步驟三粘接固化及高溫熱處理工藝 將事先準備好的粘接劑均勻地涂覆在粘接面上，再將炭纖維增強的炭基復合 材料粘接在一起，最后將其放入高真空加熱爐內使其在真空環(huán)境下260 'C固化2 小時，在固化期間給材料施加2.5 MPa。性能評價方法
技術領域：
本發(fā)明對粘接后的炭纖維增強的炭基復合材料的性能評價方法如下-粘接性能測試
通過在萬能電子試驗機上測試試樣的剪切性能來衡量的。試樣的剪切性能測 試按照圖6所示進行。
耐熱疲勞性能測試
熱疲勞試驗按照日本工業(yè)標準JISH8666-1990執(zhí)行試樣在空氣中加熱30秒 達到28(TC，而后隨風冷卻至室溫，重復至試樣發(fā)生剝離為止，記錄過程中粘接 試樣的剩余強度及剝離時的循環(huán)次數。
濕熱老化性能測試
將試樣在真空烘箱中干燥至恒重，然后分組浸沒在典型恒溫介質中63 °C 的潮濕空氣、蒸餾水、人工海水和航空煤油，將經過濕熱老化的試樣置于70 °C 的真空烘箱中進行脫濕，用電子天平稱重跟蹤不同老化時間后試樣的增重。稱量 所用精密天平感量為0.1 mg，增重百分率(AW。/。)按照下式計算
『-『
△『％ =風=^~^ x 100%
『o
其中，『0和^分別是試樣老化前后的質量，M,為f時刻試樣的吸濕質量。
經上述實驗證明本發(fā)明粘接后的炭基復合材料具有很大的剪切強度、較強 的抗老化性能和較好的耐熱疲勞性能，它在炭基復合材料領域內具有廣泛的實用 價值和應用前景。
8
權利要求
1、一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于該低溫粘接劑是指在-40～300℃情況下使用的粘接劑，其制備方法的具體步驟如下步驟一炭基復合材料的表面處理粘接面的表面處理按照以下程序進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨，并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽；然后將試樣浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗30分鐘，最后在80℃的環(huán)境下干燥4小時；步驟二粘接劑的制備粘接劑由20～30wt.％的有機硅樹脂，40～50wt.％的低熔點填料，30～35wt.％的鋁粉和0～0.5wt.％的炭纖維混合而成，其制備順序是將低熔點填料、鋁粉混合均勻，在140℃下干燥2小時，然后研磨1小時，過篩制得固體混合物后與炭纖維均勻混合，得到固體混合物；將有機硅樹脂與溶劑混合后，加入偶聯(lián)劑，在80℃水浴加熱1小時制成液態(tài)混合物；將固體混合物和液態(tài)混合物混合、攪拌均勻，得到粘接劑；將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量比為1∶4的二甲苯以保證其較低的黏度；步驟三粘接固化及高溫熱處理工藝將已配制好的粘接劑均勻地涂覆在粘接面上，再將它與炭纖維增強的炭基復合材料粘接在一起，最后將其放入高真空加熱爐內使其在真空環(huán)境下260℃固化2小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力。
2、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的有機硅樹脂、低熔點填料和炭纖維是工業(yè)標準，而鋁粉是分析純標準。
3、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的低熔點填料的熔點為445'C、粒度為200 300目。
4、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的鋁粉的粒度為200 325目。
5、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的炭纖維的牌號是T800。
6、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的溶劑是丙酮。
7、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的有機硅樹脂是指正硅酸四乙酯。
8、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的低熔點填料是指陶瓷粉。
9、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟二中所述的偶聯(lián)劑是硅垸偶聯(lián)劑。
10、 根據權利要求1所述的一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟三中所述的真空環(huán)境的真空度為一0.1MPa。
全文摘要
一種炭基復合材料用低溫粘接劑的制備方法，該方法有三大步驟一、炭基復合材料的表面處理，用剛玉粗砂紙在粘接面上打磨出規(guī)則的細槽，再將試樣浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗30分鐘，最后在80℃的環(huán)境下干燥4小時；二、粘接劑的制備；粘接劑由20～30wt.％(質量百分比)的有機硅樹脂，40～50wt.％的低熔點填料，30～35wt.％的鋁粉和0～0.5wt.％的炭纖維混合而成；三、粘接固化及高溫熱處理工藝，將粘接好的炭基復合材料放入高真空加熱爐內使其在真空環(huán)境下260℃固化2小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力。實踐證明經本發(fā)明粘接后的炭基復合材料具有很好的剪切強度、抗老化性能和耐熱疲勞性能，它在炭基復合材料領域內具有廣泛的實用價值和應用前景。
文檔編號C09J5/02GK101671530SQ200910093949
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者娜 安, 張江松, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學