專利名稱：SiC基復(fù)合材料構(gòu)件及其在線連接制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，還涉及一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的連接制備方法。
技術(shù)背景目前，SiC基復(fù)合材料具有良好的高溫力學(xué)性能，如C/SiC復(fù)合材料在超過1600'C 的惰性環(huán)境中仍能維持很高的強(qiáng)度和較高的斷裂韌性，同時(shí)SiC基復(fù)合材料還具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性能優(yōu)良等特點(diǎn)，這些優(yōu)異的性能使其作為高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空、航天以及能源領(lǐng)域。然而，SiC基復(fù)合材料的缺點(diǎn)也很明顯首先是難成型、難 加工、成本高；其次，用傳統(tǒng)的機(jī)械連接方法制成的復(fù)雜耐高溫結(jié)構(gòu)件，高溫連接強(qiáng)度和高溫密封性問題不能得到有效解決，且結(jié)構(gòu)完整性也成為難題。因此，通過采用復(fù)合材料的在線連接方法使得大尺寸、復(fù)雜化的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的成型和制備成為可能。 SiC基復(fù)合材料的連接一般包括兩個方面 一是連接的制備工藝；二是連接接頭的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連接接頭可以借鑒金屬連接的接頭設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的金屬連接接頭常用的連接方式有對接、搭接等，同時(shí)也廣泛應(yīng)用銷釘、螺釘?shù)容o助連接；而SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的連接制備工藝有很多種，典型的如金屬釬焊，該方法由于采用金屬作為連接劑，使得連接部的使用溫度受到限制(一般不超過900'C)。目前，對SiC基復(fù)合材料連接制備工藝研究最多的是原位反應(yīng)法連接和先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法連接。原位反應(yīng)法連接是從SiC反應(yīng)成型中發(fā)展起來的，是目前連接SiC基陶瓷的一種主要連接方法。該法克服了用金屬中間層釬焊或擴(kuò)散連接陶瓷時(shí)接頭的使用溫度低于母材， 以及因金屬與陶瓷母材線膨脹系數(shù)的不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力使接頭性能削弱的不足，其獨(dú) 特之處在于產(chǎn)生的接頭組織是可設(shè)計(jì)的，尤其是接頭中間的熱及力學(xué)性能是可設(shè)計(jì)的。 另外，在連接溫度(或浸潤溫度)下不需要高溫夾具來裝卡試件，因此這種方法不僅可 以用于連接陶瓷，還可以用于修補(bǔ)陶瓷件。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法連接是以先驅(qū)體為粘接劑，通過高溫裂解連接陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料。 這是一種新型的連接工藝，該工藝?yán)孟闰?qū)體粘接劑在高溫時(shí)發(fā)生反應(yīng)裂解形成陶瓷接頭，從而提高了連接接頭的高溫性能。與原位反應(yīng)法相比，采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制備SiC 基復(fù)合材料連接接頭具有制備溫度低(120(TC左右)、對復(fù)合材料的損傷小、高溫接頭穩(wěn) 定性好的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，由于該方法下連接接頭、材料及構(gòu)件的制備同時(shí)進(jìn)行，也方便地解決了連接層的密封問題。針對SiC基復(fù)合材料的連接，目前大多采用硅樹脂連接粘接 劑，裂解后的連接層組分(Si—0"C陶瓷)耐高溫性能差， 一般只能在低于110(TC的條 件下使用。采用SiC的先驅(qū)體聚碳硅烷(PCS)作為粘接劑主要用于熱壓SiC基陶瓷連 接，也有用作SiC/SiC復(fù)合材料連接的少量報(bào)導(dǎo)，但一般是采用在pcs中填加活性填料 Si來降低PCS在裂解過程中的體積收縮，而Si的存在會大大降低連接接頭的高溫使用性 能；此外，若采用單組分的PCS作為粘接劑，高溫裂解過程中會出現(xiàn)PCS的熔融流失，從而導(dǎo)致連接接頭的結(jié)合性能降低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種連接接頭穩(wěn)定可靠并能耐高溫，且其化學(xué)、力學(xué)的相容性以及結(jié)構(gòu)完整性良好的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，還提供一種制備溫度低、對復(fù)合材料損傷較小、簡單實(shí)用且能夠滿足復(fù)合材料構(gòu)件高溫使用要求的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的在線連接制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，該構(gòu)件是由預(yù)制的 SiC基復(fù)合材料被連接件在線連接而成，所述被連接件是通過位于連接接頭處的連接層連 接成一體，其特征在于所述連接層的組分為純SiC材料，該SiC材料是以SiC的先驅(qū)體 溶液為膠粘劑、以SiC粉體為填料，通過采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法生成。所述被連接件在連接接頭處的連接方式可以為搭接、對接或者楔形連接。所述SiC基復(fù)合材料構(gòu)件連接接頭處可增設(shè)連接被連接件和連接層的緊固件，緊固 件連接孔的直徑為1 10mm，所述緊固件由SiC基復(fù)合材料加工而成。所述緊固件可以為采用多束纖維集束拉制而成的一維SiC基復(fù)合材料銷釘，或者為 采用二維致密化的SiC基復(fù)合材料加工成的銷釘，或者為采用三維致密化的SiC基復(fù)合 材料加工成的銷釘，所述纖維為碳纖維或碳化硅纖維；所述緊固件也可通過采用未致密 化的碳或碳化硅的軟纖維束作為軟銷釘，將軟銷釘浸漬SiC的先驅(qū)體溶液后進(jìn)行連接固 定，再與連接層及被連接件同時(shí)致密化而得到。本發(fā)明還提供了一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的在線連接制備方法，包括以下步驟(1) 被連接件的預(yù)制采用現(xiàn)有的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制得SiC基復(fù)合材料的預(yù)制件并 對預(yù)制件進(jìn)行致密化，得到預(yù)致密化的SiC基復(fù)合材料被連接件；(2) 連接用泥漿的配制采用質(zhì)量比為i : (o.2 i) : (o o.5)的聚碳硅烷、二乙烯基苯與二甲苯的混合溶液作為膠粘劑，與作為填料的SiC粉體混合后，再加入二甲 基聚硅氧烷或甲基硅氧烷作為消泡劑，消泡劑的加入量為膠粘劑的0.5 5wt%，球磨 5 24小時(shí)后形成連接用泥漿，膠粘劑占泥漿總體積比控制在15 50%;(3) 固化裂解將上述連接用泥漿均勻涂刷在兩個以上的被連接件的連接面上，連接成一體后低溫固化，固化溫度為180 220°C，固化時(shí)間為1 5小時(shí)；將固化后形成的 復(fù)合材料試件轉(zhuǎn)移到裂解爐中，惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行800 180(TC的高溫裂解，保 持0.5 2小時(shí)；(4) 反復(fù)致密化用現(xiàn)有的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝對上述高溫裂解后的復(fù)合材料試件進(jìn)行反復(fù)致密化，反復(fù)3 10個周期，得到致密化的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件成品。在上述制備工藝的過程中，可以在進(jìn)行固化裂解前將預(yù)致密化的SiC基復(fù)合材料被 連接件加工成搭接、對接或者楔形連接結(jié)構(gòu)，在被連接件配合連接的連接接頭處配鉆連 接孔，并預(yù)置與連接孔相配合的SiC基復(fù)合材料的緊固件；在固化、裂解過程中將上述 連接用泥漿還均勻涂刷在所述緊固件表面，并將緊固件與連接層、被連接件連接成一體 后， 一起進(jìn)行低溫固化、高溫裂解和反復(fù)致密化，最后制得連接接頭處帶有緊固結(jié)構(gòu)的 SiC基復(fù)合材料構(gòu)件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所述復(fù)合材料構(gòu)件的連接層組分為純SiC材料， 能夠保證連接接頭及整個構(gòu)件在高溫、氧化環(huán)境中使用的可靠性；而在該構(gòu)件連接接頭 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用緊固件(例如采用1D、 2D或3DSiC基復(fù)合材料銷釘，或者采用軟纖 維束銷釘)作輔助連接，進(jìn)一步保證了該構(gòu)件連接接頭在高溫下使用的可靠性。本發(fā)明 SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的連接層、緊固件(如銷釘)與被連接件之間有相近的熱膨脹系數(shù) (CTE)，連接層、緊固件與被連接件之間還有較好的化學(xué)和力學(xué)相容性，連接層、緊固 件與被連接件均可以滿足高溫使用要求(1200 175(TC)，因而能夠獲得整體性能優(yōu)異且 完整性好的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件。而本發(fā)明復(fù)合材料構(gòu)件的在線連接制備方法采用PCS/二乙烯基苯(DVB)混合溶液 為粘接劑，以SiC微粉為連接填充介質(zhì)，通過先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制備得到SiC基復(fù)合材料 構(gòu)件，整個連接工藝?yán)昧薖CS/DVB的低溫交聯(lián)特性，使得低溫下制得的構(gòu)件連接接頭 具有很好的連接強(qiáng)度；另外，本發(fā)明的制備方法也避免了采用單組分PCS為粘接劑時(shí)在 高溫裂解過程中流失而導(dǎo)致連接性能變差的缺陷。本發(fā)明復(fù)合材料構(gòu)件的在線連接制備 工藝和緊固件及SiC基復(fù)合材料的制備工藝高度一致，無需添加額外的設(shè)備，對被連接 件的宏觀形狀和尺寸沒有特殊要求，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件、異型件的連接成型，整個 連接制備工藝成本小、簡單實(shí)用、用途廣泛。


圖1為實(shí)施例1、 2所示構(gòu)件在連接接頭處的剖面示意圖； 圖2為SiC基復(fù)合材料連接層斷口形貌顯微照片。其中a—連接層；b—被連接件；C一銷釘。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:如圖1、圖2所示， 一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，該構(gòu)件是由預(yù)制的SiC基復(fù)合材料被 連接件b在線連接而成，其連接層a的組分為SiC材料，兩被連接件b在連接接頭處是采 用搭接結(jié)構(gòu)，連接接頭處設(shè)有連接被連接件和連接層的銷釘c,銷釘c的連接孔的孔徑為 <D5mm，連接用銷釘c為三維致密化的SiC基復(fù)合材料加工而成。所述SiC基復(fù)合材料 構(gòu)件是采用下述方法制備得到(1) 將6K吉林碳素纖維廠制備的2號膠碳纖維編織成平板，真空浸漬PCS/二甲苯 的混合溶液后(PCS與二甲苯的質(zhì)量比為1 : 1)，在IIO(TC、 Ar氣保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解， 重復(fù)浸漬、裂解過程6個周期后，將所得的SiC基復(fù)合材料加工成具有搭接結(jié)構(gòu)的被連 接件，使兩被連接件的接頭相互配合后，在搭接面鉆出直徑05mra的銷釘孔；(2) 采用直徑約6mm的棒狀編織件，通過步驟(1)所述的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝致密化 6個周期后，采用車床加工出直徑為05mm的連接用三維SiC基復(fù)合材料銷釘；(3) 將作為膠粘劑的質(zhì)量比為i: 0.5: 0.5的pcs、 dvb與二甲苯的混合溶液，與 作為填料的sic微粉按體積比i: 1.5混合后，再加入膠粘劑質(zhì)量含量1%的二甲基聚硅氧烷為消泡劑，球磨24小時(shí)后形成連接用泥漿；(4) 將連接用泥漿均勻的涂刷在兩被連接件的連接面和銷釘表面，連接成一體后置 于金屬模具中，施加20MPa的機(jī)械壓力成型后在18(TC烘箱中固化2小時(shí)，將固化后的 試件脫模后轉(zhuǎn)移到裂解爐中，Ar氣保護(hù)下進(jìn)行120(TC、保溫2小時(shí)的高溫裂解；(5) 將高溫裂解后的復(fù)合材料試件浸漬PCS/二甲苯混合溶液后(PCS與二甲苯的 質(zhì)量比為1:1)，再進(jìn)行高溫裂解，反復(fù)浸漬、裂解過程7個周期，以提高SiC基復(fù)合材 料試件(尤其是連接層)的致密度，最后得到具有一定連接強(qiáng)度的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件 成品。實(shí)施例2:如圖1所示， 一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，該構(gòu)件是由預(yù)制的SiC基復(fù)合材料被連接 件b在線連接而成，其連接層a的組分為SiC材料，兩被連接件b在連接接頭處是采用 搭接結(jié)構(gòu)，連接接頭處設(shè)有連接被連接件b和連接層a的銷釘c，銷釘c的連接孔的孔徑 為(D3mm，連接用銷釘c為一維SiC/SiC基復(fù)合材料加工而成。所述SiC基復(fù)合材料構(gòu) 件是采用下述方法制備得到(1) 將Hi-Nicalon SiC纖維編織成平板，真空浸漬PCS的二甲苯溶液(PCS與二甲 苯的質(zhì)量比為1 : 1)后，在1200°C、 N2保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，重復(fù)浸漬、裂解過程6 個周期后，將所得的SiC基復(fù)合材料加工成具有搭接結(jié)構(gòu)的被連接件，使兩被連接件相 互配合后，在搭接面鉆出直徑03mm的銷釘孔；(2) 將30束(500根/束)Hi-Nicalon SiC纖維通過集束孔集束，并在PCS/DVB的 混合溶液中浸漬后，對纖維兩端加張拉力，置于20(TC烘箱中固化，然后在在1200°C、 N2保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，繼續(xù)采用步驟(1)所示的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝致密化6個周期后， 將銷釘表面用砂紙打磨光滑形成直徑03mm的連接用一維SiC/SiC基復(fù)合材料銷釘；(3) (5)同實(shí)施例1的步驟(3) (5)。實(shí)施例3:一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，該構(gòu)件是由預(yù)制的SiC基復(fù)合材料被連接件在線連接而 成，其連接層的組分為SiC材料，兩被連接件在連接接頭處是采用楔形連接方式，連接 接頭處還設(shè)有連接被連接件和連接層的銷釘，銷釘?shù)倪B接孔的孔徑為①6mrn，連接用銷 釘是通過采用未致密化的軟纖維束作為軟銷釘，與連接層及被連接件同時(shí)致密化而得到。 所述SiC基復(fù)合材料構(gòu)件是采用下述方法制備得到(1) 將T300碳纖維編織成平板，真空浸漬PCS的二甲苯溶液(PCS與二甲苯的質(zhì) 量比為1 : 1)后，在1200°C、 N2保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，重復(fù)浸漬、裂解過程6個周期后， 將所得的C/SiC復(fù)合材料加工成具有楔形連接結(jié)構(gòu)的被連接件，使兩被連接件的接頭相 互配合后，在楔形連接面鉆出直徑06mm的銷釘孔；(2) 同實(shí)施例1中的步驟(3);(3) 將連接用泥漿均勻的涂刷在被連接件的連接表面，然后將4束50K的碳纖維浸 漬連接用泥漿后穿過銷釘孔作為軟銷釘使用，再將被連接件及軟銷釘一同置于180'C的烘 箱中固化3小時(shí)，再將固化后的試件轉(zhuǎn)移到裂解爐中，Ar氣保護(hù)下進(jìn)行1200°C、保溫 0.5小時(shí)的高溫裂解；(4) 將連接成一體后的復(fù)合材料試件浸漬PCS的二甲苯溶液(PCS與二甲苯的質(zhì) 量比為1 : 1)后，再進(jìn)行高溫裂解，反復(fù)浸漬、裂解過程10個周期，以提高SiC基復(fù)合 材料試件(尤其是連接層)的致密度，得到具有一定連接強(qiáng)度的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件成叩o
權(quán)利要求
1、一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，該構(gòu)件是由預(yù)制的SiC基復(fù)合材料被連接件在線連接而成，所述被連接件是通過位于連接接頭處的連接層連接成一體，其特征在于所述連接層的組分為純SiC材料，該SiC材料是以SiC的先驅(qū)體溶液為膠粘劑、以SiC粉體為填料，通過采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法生成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述被連接件在連接接頭處的連接方式為搭接、對接或者楔形連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述連接接頭處設(shè) 有連接被連接件和連接層的緊固件，緊固件連接孔的直徑為1 10mm，所述緊固件由SiC 基復(fù)合材料加工而成。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述緊固件為采用多束 纖維集束拉制而成的一維SiC基復(fù)合材料銷釘，或者為采用二維致密化的SiC基復(fù)合材 料加工成的銷釘，或者為采用三維致密化的SiC基復(fù)合材料加工成的銷釘，所述纖維為 碳纖維或碳化硅纖維。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，其特征在于所述緊固件是通過采用 未致密化的碳或碳化硅的軟纖維束作為軟銷釘，將軟銷釘浸漬SiC的先驅(qū)體溶液后進(jìn)行 連接固定，再與連接層及被連接件同時(shí)致密化而得到。
6、 一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件的在線連接制備方法，包括以下步驟(1) 被連接件的預(yù)制采用現(xiàn)有的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制得SiC基復(fù)合材料的預(yù)制件并 對預(yù)制件進(jìn)行致密化，得到預(yù)致密化的SiC基復(fù)合材料被連接件；(2) 連接用泥漿的配制采用質(zhì)量比為i: (o.2 i) : (o o.5)的聚碳硅垸、二乙烯基苯、二甲苯的混合溶液作為膠粘劑，與作為填料的SiC粉體混合后，再加入二甲 基聚硅氧烷或甲基硅氧垸作為消泡劑，消泡劑的加入量為膠粘劑的0.5 5wt%，球磨 5 24小時(shí)后形成連接用泥漿，膠粘劑占泥漿總體積比控制在15 50%;(3) 固化裂解將上述連接用泥漿均勻涂刷在兩個以上的被連接件的連接面上，連 接成一體后低溫固化，固化溫度為180 220°C，固化時(shí)間為1 5小時(shí)；將固化后的復(fù)合 材料試件轉(zhuǎn)移到裂解爐中，惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行800 180(TC的高溫裂解，保持 0.5 2小時(shí)；(4) 反復(fù)致密化用現(xiàn)有的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝對上述高溫裂解后的復(fù)合材料試件進(jìn)行反復(fù)致密化，反復(fù)3 10個周期，得到致密化的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件成品。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線連接制備方法，其特征在于在進(jìn)行固化裂解步驟前， 將預(yù)致密化的被連接件加工成搭接、對接或者楔形連接結(jié)構(gòu)，在被連接件的連接接頭處 配鉆連接孔，并預(yù)置與連接孔相配合的SiC基復(fù)合材料的緊固件；在固化、裂解過程中 將上述連接用泥漿還均勻涂刷在所述緊固件表面，并將緊固件與被連接件相互配合連成 一體后， 一起進(jìn)行低溫固化、高溫裂解和反復(fù)致密化，最后制得連接接頭處帶有緊固結(jié) 構(gòu)的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SiC基復(fù)合材料構(gòu)件及其在線連接制備方法，所述構(gòu)件是由被連接件通過位于連接接頭處的連接層連接成一體，其特征在于該連接層的組分為純SiC材料，且該SiC材料是以聚碳硅烷/二乙烯基苯的混合溶液為膠粘劑、以SiC微粉為填充介質(zhì)，通過先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制備得到；通過SiC基復(fù)合材料緊固件進(jìn)行輔助連接和加固，可得到連接強(qiáng)度更高的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件。本發(fā)明的制備方法簡單實(shí)用、成本小，通過該方法制得的SiC基復(fù)合材料構(gòu)件，具有良好的耐高溫性能及力學(xué)相容性，且結(jié)構(gòu)完整性好，該在先連接制備方法特別適合于大型復(fù)雜構(gòu)件的連接成型和制備。
文檔編號C04B37/00GK101224993SQ20081003055
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者張玉娣, 張長瑞, 曹英斌, 軍 王, 胡海峰 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)