一种在SiC基纤维复合材料表面粘结绝缘材料的粘结剂及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在SiC基纤维复合材料表面粘结绝缘材料的粘结剂及其使用方 法，属于表面加工及涂层领域。
【背景技术】
[0002] SiC基纤维复合材料，如碳纤维增韧SiC材料、SiC纤维增韧SiC材料等，是一类重 要的功能材料，在航空航天领域有重要的应用，如航空发动机、火箭发动机和空天飞行器的 热防护体系等。近年来，SiC基纤维复合材料在快速升降温条件下的失效表征越来越引起 人们的关注，如测试快速升降温过程中SiC基纤维复合材料的瞬间温度、瞬间应变等。测试 材料温度的方法有热电阻法、热电偶法、红外测温法等；测试应变的方法有电测法、光测法、 机械测法等。考虑到SiC基纤维复合材料在航空航天领域的狭小高温的应用环境，以及瞬 间温度、瞬间应变的测试要求，薄膜热电偶测温方法和薄膜电阻应变测试方法成为快速升 降温过程中SiC基纤维复合材料的瞬间温度、瞬间应变的最佳测试方法。然而，由于SiC基 纤维复合材料微米级编织状的疏松多孔结构，其微米级孔洞可导致薄膜热电偶和薄膜电阻 应变计的功能层缺损；由于SiC基纤维复合材料微米级编织结构，在变温环境下，由热膨胀 导致纤维结构位移将破坏薄膜热电偶和薄膜电阻应变计的功能层；由于SiC基纤维复合材 料的电学性质较好，可导致薄膜热电偶和薄膜电阻应变计的功能层与SiC基纤维复合材料 间短路。基于上述原因，需在SiC基纤维复合材料表面首先制备连续致密的绝缘层，再在 绝缘层上制备薄膜热电偶和薄膜电阻应变计的功能层，实现对SiC基纤维复合材料瞬间温 度、瞬间应变的测试。
[0003] 目前，在对SiC基纤维复合材料表面制备涂层/薄膜的方法有X. Yin等人 (Materials Science&Engineering A, 2000, Vol. 290:89-94)提出的以 Cr03、H2SO4为原料 的 CrSi 渗透方法；F. Smeacetto 等人（Carbon, 2002, Vol. 40:583-587)提出的以 Y203、BC、 BaBSiOxS原料的直接反应法；F. Lusquifios等人（Surface&Coatings Technology, 2008, V ol. 202:1588-1593)提出的以510+5102或SiC+Si为原料的激光熔融方法；F. Smeacetto等 人（Ceramics International, 2008, Vol. 34:1297-1301)提出的以 515102、六1203、丫203为原 料的高温烧结方法；S. Costil 等人（Applied Surface Science, 2008, Vol. 255:2425-2432) 提出的直接激光福照方法；Patrick Ritt 等人（Surface&Coatings Technology, 2012， Vol. 206:4166-4172)提出的以Mo (CO)6、Si、B等粉体为原料的烧结方法；X. Yang等人 (Vacuum, 2013, Vol. 96:63-68)提出的以 Zr、Si,、PCS-DVB、Al2O3等粉体为原料的烧结 方法；M. Albano 等人（Acta Astronautica, 2014, Vol. 99:276-282)提出的以 CH3SiCK CH3SiCl3S原料的化学气象沉积方法；Y.P. Xie 等人（Ceramics International, 2014, V ol. 40:6875-6880)提出的以C3H6、CH3SiCl3、H 2、Ar为原料的化学气相渗透方法等。
[0004] 上述方法均存在一些不足之处，如，若以化学气相渗透方法制备涂层/薄膜，则存 在反应温度过高，易破坏SiC基纤维复合材料，同时耗时过长、效率低下等问题；若以直接 烧结方法制备涂层/薄膜，则存在烧结温度过高、易破坏SiC基纤维复合材料等问题；若以 激光辐照方法制备涂层/薄膜，则存在激光束斑小、效率低下、辐照表面温度难以控制等问 题；若以粉体烧结方法方法制备涂层/薄膜，则存在涂层/薄膜表面粗糙度过大、涂层表面 存在大量无规则裂缝等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明通过以Ca2SiO4粉末、Na 2Si03粉末和SiO 2粉末为原料的烧结方法，解决了 上述问题。
[0006] 本发明提供了一种在SiC基纤维复合材料表面上粘结绝缘材料的粘结剂，所述粘 结剂由Ca 2SiO4粉末、Na2SiO3粉末和SiO 2粉末组成，所述Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末和SiO2 粉末的摩尔比为3?12 :4 :16。
[0007] 本发明所述SiC基纤维复合材料优选为现有技术中的碳纤维增韧SiC材料、SiC 纤维增韧SiC材料、碳纤维增韧Si3N4材料、碳纤维增韧CN材料、SiC纤维增韧Si 3N4材料和 SiC纤维增韧CN材料等。
[0008] 本发明所述绝缘材料优选为石英片、氧化铝片和云母片等，所述绝缘材料厚度优 选为彡500 μm。
[0009] 本发明的另一目的是利用上述粘结剂在SiC基纤维复合材料表面上粘结绝缘材 料的方法，所述方法包括如下步骤：
[0010] 当粘结剂层为单层时：
[0011] 将Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末与SiO 2粉末按摩尔比为3?12 :4 :16混合，得到混 合粉体，将混合粉体置于SiC基纤维复合材料表面上，将绝缘材料置于混合粉体上，烧结， 冷却至室温；
[0012] 当粘结剂层为多层时：
[0013] ①将Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末与SiO 2粉末按摩尔比为3?12 :4 :16混合，得到 混合粉体；
[0014] ②将步骤①所得的混合粉体置于SiC基纤维复合材料表面上，烧结，冷却至室温；
[0015] ③重复步骤①操作，将本步骤得到的混合粉体置于上一步骤所得产品的粘结剂层 上，烧结，冷却至室温；
[0016] ④重复步骤③操作，得到多层粘结剂层，在最后一次烧结粘结剂层时，将绝缘材料 置于最后一次配制的混合粉体上，烧结，冷却至室温。
[0017] 本发明通过调节Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末与SiO2粉末的摩尔比，制备出具有不 同热膨胀系数的粘结剂层，使粘结剂层与SiC基纤维复合材料的结合处具有与SiC基纤维 复合材料相近的热膨胀系数，同时也使粘结剂层与绝缘材料的结合处具有与绝缘材料相近 的热膨胀系数。
[0018] 本发明所述混合操作优选为将Ca2SiO4粉末、Na 2Si03粉末、SiO 2粉末与水球磨、干 燥。
[0019] 本发明所述球磨时间优选为10?600min。
[0020] 本发明所述混合粉体在SiC基纤维复合材料表面上的覆盖量优选为0. 01?0. 2g/ cm2。
[0021] 本发明所述混合粉体在粘结剂层上的覆盖量优选为0. 01?0. 2g/cm2。
[0022] 本发明所述烧结温度优选为950?1100 °C。
[0023] 本发明所述烧结时间优选为30?120min。
[0024] 本发明所述冷却方法优选为从烧结温度匀速降温至100°C的降温时间多12h，从 100°C匀速降温至室温的降温时间彡lh。
[0025] 本发明有益效果为：
[0026] ①本发明通过调节Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末与SiO2粉末的摩尔比，制备出具有 不同热膨胀系数的粘结剂层，并与SiC基纤维复合材料表面和绝缘材料表面形成良好的粘 结性能；
[0027] ②本发明所述粘结剂层可耐温度高达800°C ;
[0028] ③本发明所述混合粉体不含有机物、硫化物、氮化物和氟化物等，烧结过程中不产 生污染，烧结后无需后处理，可直接在绝缘材料上制备薄膜热电偶或薄膜电阻应变计等；
[0029] ④本发明还可以在SiC基纤维复合材料表面上利用本发明所述粘结剂粘结其他 性质的功能材料；
[0030] ⑤本发明粘结方法简单、成本低廉、烧结周期短、烧结过程易于控制、产率高、便于 大规模工业化生产。
【附图说明】
[0031] 本发明附图9幅，
[0032] 图1为实施例1?5制备的产品的截面结构示意图；
[0033] 图2为实施例1制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 100倍SEM形貌图；
[0034] 图3为实施例1制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 500倍SEM形貌图；
[0035] 图4为实施例1制备的产品的粘结剂层与石英片的结合处截面放大10000倍SEM 形貌图；
[0036] 图5为实施例1制备的产品的粘结剂层与石英片的结合处截面放大20000倍SEM 形貌图；
[0037] 图6为实施例2制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 500倍SEM形貌图；
[0038] 图7为实施例3制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 500倍SEM形貌图；
[0039] 图8为实施例4制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 500倍SEM形貌图；
[0040] 图9为实施例5制备的产品的粘结剂层与碳纤维增韧SiC材料的结合处截面放大 500倍SEM形貌图；
[0041] 其中，1、石英片，2、粘结剂层，3、碳纤维增韧SiC材料。
【具体实施方式】
[0042] 下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以 任何方式限制本发明。
[0043] 实施例1
[0044] 一种在碳纤维增韧SiC材料表面上粘结石英片的方法，所述方法包括如下步骤：
[0045] ①将Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末与SiO 2粉末按摩尔比为3 :4 :16混合，加入去离子 水形成浆料，置于球磨罐中，利用滚筒式球磨机将浆料进行球磨，球磨速度为30r/min，球磨 时间为l〇h