專利名稱：陶瓷基復(fù)合材料的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的連接方法，特別是碳基和碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，主要適用于大型復(fù)雜薄壁和尺寸精度要求高的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的連接。
背景技術(shù)：
陶瓷基復(fù)合材料是接替金屬的新一代戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料，突出的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫和低密度，在航空、航天、空天和兵器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著大型復(fù)雜薄壁陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的需求日益增加，連接成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。陶瓷基復(fù)合材料主要有連續(xù)纖維、晶須和顆粒增韌三種增韌方式，而連續(xù)纖維增韌又有二維和三維等多種編制方式。陶瓷基復(fù)合材料的連接可以分為三種情況一是根據(jù)制造工藝需要進(jìn)行同種陶瓷基復(fù)合材料的連接；二是根據(jù)性能設(shè)計(jì)需要進(jìn)行的不同編制結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的連接；三是根據(jù)降低成本需要進(jìn)行的不同增韌方式陶瓷基復(fù)合材料的連接。
陶瓷基復(fù)合材料的連接主要有粘結(jié)和緊固兩種。粘結(jié)方法雖然很多，但由于大部分采用金屬連接劑而是使用溫度受到限制，不適合陶瓷基復(fù)合材料的連接。目前較為成熟的高溫粘結(jié)方法大致可以分為反應(yīng)滲硅法和聚合物熱解法兩種，而螺栓緊固是一種新的機(jī)械連接方法。ARCJoinT(Affordable Robust Ceramic Joining Technology)屬于反應(yīng)滲硅法的一種，連接時(shí)把一些碳質(zhì)混合物放置到接點(diǎn)區(qū)域，在100～120℃溫度范圍內(nèi)處理10～20分鐘，然后把純硅粉以漿料的形式涂于連接區(qū)域周圍，加熱到1425℃保溫5～10分鐘，液態(tài)硅通過毛細(xì)作用滲入連接區(qū)域與碳發(fā)生反應(yīng)形成SiC。聚合物熱解法是通過應(yīng)用一種聚合物作為陶瓷先驅(qū)體與一些溶劑或陶瓷顆粒等混合，作為中間層置于復(fù)合材料待連接面間，加熱到一定溫度使聚合物發(fā)生熱解生成陶瓷，生成的陶瓷確保了接頭與陶瓷基復(fù)合材料的相容性，而且熱解溫度一般較低。由于粘結(jié)是一種脆性連接，可靠性低，嚴(yán)重削弱了陶瓷基復(fù)合材料的高韌性和高可靠性的優(yōu)勢(shì)。熱膨脹失配在連接界面上產(chǎn)生界面應(yīng)力和缺陷，因而連接面積越大，粘結(jié)強(qiáng)度和可靠性越低，而且工藝難度越大。因此，粘結(jié)不適合大面積連接。綜上所述，粘結(jié)存在如下致命弱點(diǎn)脆性連接降低連接件的可靠性；不適合大型復(fù)雜薄壁件的連接。
用陶瓷基復(fù)合材料螺栓進(jìn)行連接不僅連接強(qiáng)度和可靠性高，而且連接構(gòu)件尺寸和形狀不受限制，連接工藝也很簡(jiǎn)單，但螺栓連接也存在如下缺點(diǎn)陶瓷基復(fù)合材料螺栓加工成本高；對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷較大；螺栓改變陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的表面形狀。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)粘結(jié)降低連接件的可靠性；不適合大型復(fù)雜薄壁件的連接以及陶瓷基復(fù)合材料螺栓連接加工成本高；對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷較大；螺栓改變陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的表面形狀等缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料的連接方法，這種類似金屬鉚接的陶瓷基復(fù)合材料連接方法，將粘結(jié)和緊固有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，采用下述方法步驟1)用碳纖維編制三維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)碳纖維三維預(yù)制體進(jìn)行定型，經(jīng)過沉積熱解炭界面層和碳化硅基體，完成三維C/SiC復(fù)合材料制備，用三維C/SiC復(fù)合材料加工鉚釘；2)將需要連接的構(gòu)件A與構(gòu)件B組合配鉆加工鉚釘孔；3)將鉚釘用緊配合的方法與構(gòu)件AB組裝在一起；4)采用化學(xué)氣相滲透的方法在鉚釘孔與鉚釘之間沉積碳化硅；5)對(duì)鉚接部位進(jìn)行加工和修整，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠?，使鉚釘與構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面平齊；6)采用化學(xué)氣相沉積的方法在構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面制備碳化硅涂層，對(duì)鉚接部位進(jìn)行覆蓋和保護(hù)。
所述的陶瓷基復(fù)合材料鉚釘為沿纖維軸向夾角0～45°方向加工而成，鉚釘?shù)闹睆綖棣?～6mm。
所述的鉚釘孔為沿構(gòu)件A與構(gòu)件B的連接面對(duì)稱向外的錐孔，錐度為10°～20°。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是由于采用了粘結(jié)和緊固相結(jié)合的陶瓷基復(fù)合材料連接方法，連接強(qiáng)度和可靠性高，使用溫度不受影響；將陶瓷基復(fù)合材料的制造過程與連接過程融為一體，不需要增加新的連接設(shè)備與連接工藝，同時(shí)陶瓷基復(fù)合材料鉚釘?shù)募庸こ杀具h(yuǎn)比陶瓷基復(fù)合材料螺栓低。因此，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，連接成本低；用化學(xué)氣相沉積的方法制備表面涂層，將鉚接部位覆蓋，使構(gòu)件表面光滑過渡。因此，本發(fā)明對(duì)連接件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響小且不改變構(gòu)件表面形狀；連接過程全部使用陶瓷基復(fù)合材料制造設(shè)備，在制造設(shè)備許可的范圍內(nèi)鉚接的尺寸不受限制。因此，本發(fā)明對(duì)連接件的尺寸和形狀限制小，適用于大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的連接。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的工藝流程2為采用本發(fā)明連接構(gòu)件A與構(gòu)件B的結(jié)構(gòu)示意中1-鉚釘、2-構(gòu)件A、3-構(gòu)件B、4-錐孔、5-沉積涂層碳化硅、6-滲透粘結(jié)碳化硅。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1本發(fā)明提出一種類似金屬鉚接的陶瓷基復(fù)合材料連接方法，包括如下四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)(1)加工陶瓷基復(fù)合材料銷釘或鉚釘；(2)將連接件組合配鉆銷釘或鉚釘孔；(3)將銷釘或鉚釘與連接件進(jìn)行組合；(4)將組合件進(jìn)行化學(xué)氣相滲透沉積。
由于化學(xué)氣相滲透沉積是一種粘結(jié)，而銷釘或鉚釘起到了類似螺栓的機(jī)械連接作用。本發(fā)明巧妙地將粘結(jié)與緊固有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)的連接新方法。
陶瓷基復(fù)合材料鉚接的核心環(huán)節(jié)是化學(xué)氣相滲透沉積。碳化硅是陶瓷基復(fù)合材料最常見的基體材料，也是陶瓷基復(fù)合材料最常見的防護(hù)涂層材料。陶瓷基復(fù)合材料通常用三氯甲基硅烷(MTS)為先驅(qū)體，采用化學(xué)氣相滲透的方法制備碳化硅基體，采用化學(xué)氣相沉積的方法制備碳化硅涂層。本發(fā)明將陶瓷基復(fù)合材料的制造過程與連接過程融為一體，不需要增加新的連接設(shè)備與連接工藝，同時(shí)陶瓷基復(fù)合材料鉚釘?shù)募庸こ杀具h(yuǎn)比螺栓低。因此，陶瓷基復(fù)合材料鉚接可以大幅度降低連接成本。
為了保證碳化硅能在粘接部位充分沉積，提高陶瓷基復(fù)合材料的連接強(qiáng)度，鉚釘孔應(yīng)該具有合適的錐度。錐度太小，碳化硅難以滲透沉積，銷釘容易拔出。錐度太大，復(fù)合材料連接部位容易發(fā)生剪切破壞。研究發(fā)現(xiàn)，比較合適的錐度在10°～20°之間。在錐度合適的情況下，鉚接可以有效承受剪切載荷和拉伸載荷。由于錐孔鉚釘結(jié)構(gòu)具有自鎖功能，不僅使鉚釘承受比較單純的拉伸應(yīng)力，而且使錐孔承受比較單純的壓應(yīng)力。鉚接部位的破壞只能是鉚釘?shù)臄嗔?，而不是脫粘或錐孔剪切變形導(dǎo)致的鉚釘拔出。鉚接的強(qiáng)度實(shí)際上就是鉚釘軸向的拉伸強(qiáng)度或垂直與軸向的剪切強(qiáng)度，而這充分發(fā)揮了陶瓷基復(fù)合材料鉚釘高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)勢(shì)。因此，陶瓷基復(fù)合材料鉚接強(qiáng)度和可靠性高。
為了便于鉚釘與連接件的組合，鉚釘應(yīng)該適當(dāng)加長(zhǎng)，而且與錐孔之間應(yīng)該是緊配合。鉚釘?shù)闹睆皆酱螅瑢?duì)連接件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響也越大，因而根據(jù)連接件的具體情況設(shè)計(jì)合適的鉚釘直徑和分布是非常重要的。陶瓷基復(fù)合材料鉚釘?shù)闹睆揭话銥棣?～6mm，這一點(diǎn)與金屬的鉚接基本相同。用化學(xué)氣相滲透的方法進(jìn)行鉚接后，對(duì)連接件進(jìn)行精加工，將鉚釘多余的部分除掉。最后用化學(xué)氣相沉積的方法制備表面涂層，將鉚接部位覆蓋，使構(gòu)件表面光滑過渡。即使金屬鉚接也會(huì)在表面留下鉚接頭，而陶瓷基復(fù)合材料的鉚接則完全不改變構(gòu)件的表面形狀。由于磨削加工方法的限制，小于M6mm的陶瓷基復(fù)合材料螺栓加工非常困難，因而螺栓連接孔的直徑大于φ6mm。因此，陶瓷基復(fù)合材料鉚接對(duì)連接件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響小且不改變構(gòu)件表面形狀。
鉚接全部使用陶瓷基復(fù)合材料制造設(shè)備，在制造設(shè)備許可的范圍內(nèi)鉚接的尺寸不受限制。對(duì)于大型構(gòu)件的連接，熱膨脹失配導(dǎo)致的變形是需要考慮的關(guān)鍵因素。顯然，粘結(jié)時(shí)連接件的變形具有累加性，因而變形更大，而鉚接時(shí)連接件的變形具有分散性，因而變形更小。由于鉚釘?shù)尼斣饔茫瑹崤蛎浭涞挠绊懛秶饕阢T釘之間。鉚接的組合裝配取決于機(jī)械加工的可行性，在機(jī)械加工許可的范圍內(nèi)鉚接的形狀不受限制。連接件組合裝配的精度對(duì)于粘結(jié)強(qiáng)度影響很大，但對(duì)鉚接的強(qiáng)度影響不大，因而對(duì)于加工精度難以保證的復(fù)雜構(gòu)件，鉚接仍是一種合適的選擇。因此，陶瓷基復(fù)合材料鉚接對(duì)連接件的尺寸和形狀限制小。
參照?qǐng)D2應(yīng)用實(shí)施例1選用3K碳纖維編制尺寸為65×120mm三維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)預(yù)制體進(jìn)行定型。預(yù)制體經(jīng)過沉積熱解炭界面層和碳化硅基體，完成三維C/SiC復(fù)合材料制備，熱解炭和碳化硅的沉積工藝條件為現(xiàn)有技術(shù)。用三維C/SiC復(fù)合材料沿纖維軸向加工鉚釘1，鉚釘1的尺寸為φ2×20mm。
選用1K碳布疊層制備尺寸為120×250mm纖維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)預(yù)制體進(jìn)行定型。纖維預(yù)制體首先沉積熱解炭界面層，工藝條件為沉積溫度850℃、氣氛壓力0.2kPa、丙烯流量30ml/min、Ar流量300ml/min、沉積時(shí)間50h。然后沉積碳化硅基體，工藝條件為沉積溫度900℃、氣氛壓力2kPa、H2氣流量200ml/min、Ar流量300ml/min、MTS溫度30℃、H2與MTS的摩爾質(zhì)量比為10、沉積時(shí)間150h。
將制備的二維C/SiC復(fù)合材料一件作為構(gòu)件A2，一件作為構(gòu)件B3進(jìn)行組合鉆孔。鉆孔使用錐型金剛石鉆頭，加工的錐孔直徑為φ2mm，錐度10°。
將三維C/SiC鉚釘1與二維C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件A2與構(gòu)件B3的錐孔進(jìn)行緊配合組裝，然后用滲透粘結(jié)碳化硅6的方法充填鉚釘與錐孔之間的間隙，除了沉積時(shí)間為60小時(shí)外，碳化硅沉積的工藝條件與復(fù)合材料相同。連接完成后對(duì)二維C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行加工，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠?，最后用沉積涂層碳化硅5的方法沉積碳化硅涂層，除了沉積時(shí)間為60小時(shí)外，涂層沉積的工藝條件與復(fù)合材料也相同。
應(yīng)用實(shí)施例2。選用3K碳纖維編制尺寸為40×100mm三維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)預(yù)制體進(jìn)行定型。預(yù)制體經(jīng)過沉積熱解炭界面層和碳化硅基體，完成三維C/SiC復(fù)合材料制備，熱解炭和碳化硅的沉積工藝條件為現(xiàn)有技術(shù)。用三維C/SiC復(fù)合材料沿纖維軸向夾角為45°方向加工鉚釘1，鉚釘1的尺寸為φ6×20mm。
選用1K碳布疊層制備尺寸為100×200mm纖維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)預(yù)制體進(jìn)行定型。纖維預(yù)制體首先沉積熱解炭界面層，工藝條件為沉積溫度960℃、氣氛壓力0.5kPa、丙烯流量60ml/min、Ar流量400ml/min、沉積時(shí)間80h。然后沉積碳化硅基體，工藝條件為沉積溫度1100℃、氣氛壓力5kPa、H2氣流量350ml/min、Ar流量400ml/min、MTS溫度40℃、H2與MTS的摩爾質(zhì)量比為10、沉積時(shí)間200h。
將制備的二維C/SiC復(fù)合材料一件作為構(gòu)件A2，一件作為構(gòu)件B3進(jìn)行組合鉆孔。鉆孔使用錐型金剛石鉆頭，加工的錐孔直徑為φ6mm，錐度20°。
將三維C/SiC鉚釘1與二維C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件A2與構(gòu)件B3的錐孔進(jìn)行緊配合組裝，然后用滲透粘結(jié)碳化硅6的方法充填鉚釘與錐孔之間的間隙，除了沉積時(shí)間為100小時(shí)外，碳化硅沉積的工藝條件與復(fù)合材料相同。連接完成后對(duì)二維C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行加工，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠郑詈笥贸练e涂層碳化硅5的方法沉積碳化硅涂層，除了沉積時(shí)間為100小時(shí)外，涂層沉積的工藝條件與復(fù)合材料也相同。
對(duì)兩例應(yīng)用實(shí)施例的連接經(jīng)拉伸強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明，鉚釘沒有被拔出，而是發(fā)生斷裂，連接拉伸斷裂強(qiáng)度為200MPa左右。這是迄今為止，陶瓷基復(fù)合材料制件最高的連接強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，其特征在于采用下述方法步驟1)用碳纖維編制三維預(yù)制體，用平板石墨模具對(duì)碳纖維三維預(yù)制體進(jìn)行定型，經(jīng)過沉積熱解炭界面層和碳化硅基體，完成三維C/SiC復(fù)合材料制備，用三維C/SiC復(fù)合材料加工鉚釘；2)將需要連接的構(gòu)件A與構(gòu)件B組合配鉆加工鉚釘孔；3)將鉚釘用緊配合的方法與構(gòu)件AB組裝在一起；4)采用化學(xué)氣相滲透的方法在鉚釘孔與鉚釘之間沉積碳化硅粘結(jié)劑；5)對(duì)鉚接部位進(jìn)行加工和修整，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠?，使鉚釘與構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面平齊；6)采用化學(xué)氣相沉積的方法在構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面制備碳化硅涂層，對(duì)鉚接部位進(jìn)行覆蓋和保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，其特征在于所述的陶瓷基復(fù)合材料鉚釘為沿纖維軸向夾角0～45°方向加工而成，鉚釘?shù)闹睆綖棣?～6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，其特征在于所述的鉚釘孔為沿構(gòu)件A與構(gòu)件B的連接面對(duì)稱向外的錐孔，錐度為10°～20°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陶瓷基復(fù)合材料的連接方法，采用下述方法步驟用陶瓷基復(fù)合材料加工鉚釘，將需要連接的構(gòu)件A與構(gòu)件B組合配鉆加工鉚釘孔；將鉚釘用緊配合的方法與構(gòu)件AB組裝在一起；采用化學(xué)氣相滲透的方法在鉚釘孔與鉚釘之間沉積碳化硅，進(jìn)行鉚釘與連接件錐型鉚釘孔之間的粘結(jié)；對(duì)鉚接部位進(jìn)行加工和修整，除掉鉚釘?shù)亩嘤嗖糠?，使鉚釘與構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面平齊；采用化學(xué)氣相沉積的方法在構(gòu)件A與構(gòu)件B的外表面制備碳化硅涂層，對(duì)鉚接部位進(jìn)行覆蓋和保護(hù)?？蓪?shí)現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的鉚接，具有連接強(qiáng)度、可靠性和使用溫度高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降小，不改變構(gòu)件表面形狀，連接成本低等優(yōu)點(diǎn)。還可用于碳基復(fù)合材料及其他復(fù)合材料的連接。
文檔編號(hào)C04B35/577GK1597621SQ20041002636
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者成來飛, 張立同, 徐永東, 劉小瀛, 童巧英 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)