低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着高超音速飞行器飞行速度的不断提高，服役环境越来越恶劣，再入大气层时与空气发生摩擦，势必产生强烈的气动热，因此对飞行器的热防护系统材料要求越来越高。目前正在使用的热防护系统防热结构多为组合安装机械连接的盖板式的耐热承载防热结构，即由防热盖板、防热面板和隔热材料组成防热结构。盖板式防热结构的主要困难之一就是各结构件间的连接需要耐高温、高强度、低导热、长时间使用可靠性高的螺钉、螺套、螺母等紧固件。目前成熟的陶瓷基复合材料螺钉、螺母主要采用C/C复合材料和C/SiC复合材料，C/C复合材料具有耐高温、高比强、抗磨损、抗疲劳等一系列优点，但高温抗氧化性差，在400°c以上即开始氧化;C/SiC复合材料克服了 C/C复合材料的缺点，且断裂韧性高、抗烧蚀性能好，但导热系数太高，10W/m.K以上，无法满足高超音速飞行器对热防护系统的进一步要求。因此，需要针对热防护系统研制耐高温、低导热陶瓷基复合材料紧固件。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，制备的紧固件可用于高超音速飞行器的热防护系统结构件连接，不仅耐高温、低导热，且材料加工性能好。
[0004]本发明所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，步骤如下:
[0005](I)采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体；
[0006](2)采用热处理的方式去除石英纤维预制体表面的浸润剂；
[0007](3)采用Al2O3-S12复合溶胶制备界面涂层，取出石英纤维预制体沥干后干燥处理；
[0008](4)采用复合石英浆料通过液相浸渍工艺成型，通过热处理制得纤维复合材料坯体；
[0009](5)纤维复合材料坯体进行粗加工，粗加工过程中紧固件的螺纹加工处留有0.5-1mm的加工余量，其他部位留有I _3mm余量，紧固件加工内螺纹(例如螺套、螺母)的轴向取向石英纤维布的铺层方向垂直，紧固件加工外螺纹(例如螺栓)的轴向取向平行于石英纤维布的铺层方向；
[0010](6)采用酸性硅溶胶通过液相浸渍工艺进行浸渍，然后热处理，循环浸渍和热处理2-3次，最后精密加工制备得到紧固件。
[0011 ] 步骤(I)中所述的石英纤维预制体Z向纤维间距为2-4mm，体积分数为40-55 %。
[0012] 步骤(2)中所述的热处理温度为400-600°C。
[0013]步骤(3)中所述的制备界面涂层是在真空下保持30-60min，真空度小于0.0lMPa。
[0014]步骤(3)中所述的Al2O3-S12复合溶胶的固含量为10-30%，干燥温度为80-180°C。
[0015]步骤(4)中所述的复合石英浆料是采用石英粉、硅溶胶和添加剂制备而成，D50控制在10nm-2ym之间，粘度小于150mPa.S。
[0016]所述的添加剂为环己酮、丙烯酰胺、N，N_亚甲基丙烯酰胺、过硫酸胺或乳酸中的一种或多种。
[0017]步骤(4)中所述的复合石英浆料的体积分数为30-40%，热处理温度为500_800°C。
[0018]步骤(6)中所述的酸性硅溶胶的固含量为20-40%。
[0019]步骤(6)中所述的热处理温度为200-550°C，精密加工前的一次热处理温度为550Γ。
[0020]本发明与现有技术相比，具有如下有益效果:
[0021]—方面，本发明采用细编穿刺工艺制备石英纤维预制体，细编穿刺结构预制体适合螺纹的加工，螺纹表面加工质量好；
[0022]另一方面，Si02f/Si02复合材料耐温高、韧性好、导热系数低，在室温到1000°C导热系数小于1.2W/m.K，Si02f/Si02复合材料螺套和螺钉测试拉伸强度大于3MPa，适用于高超音速飞行器热防护系统结构件的连接。
【具体实施方式】
[0023]以下结合实施例对本发明做进一步描述。
[0024]实施例1
[0025]采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，195Tex石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体，Z向纤维间距为2mm预制体的体积分数为42%。
[0026]将石英纤维预制体在500°C下热处理除去浸润剂。
[0027]采用石英粉、硅溶胶以及环己酮制备体积分数为35%的复合石英浆料，D50为1.7μm，粘度为 150mPa.S。
[0028]采用制备的复合浆料对石英纤维预制体进行液相浸渍成型，浸渍成型过程辅助真空、压力手段，复合浆料凝胶后在550 °C下热处理。
[0029]按照紧固件的尺寸要求进行初步加工，螺套、螺母的轴向取向石英纤维布的铺层方向垂直，螺栓轴向取向平行于石英纤维布的铺层方向，初步加工尺寸较最终尺寸留有
0.5mm余量，
[0030]采用固含量30%的酸性硅溶胶对初步加工的紧固件进行液相浸渍工艺，热处理温度为2000C，循环浸渍3次，最终热处理5500C后精密加工制备得到紧固件。
[0031]通过上述够工艺制备的Si02f/Si02紧固件常温下导热系数为0.45W/m.K,1000°C下导热系数为0.87W/m.K，且表面加工质量非常好。
[0032]实施例2
[0033]采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，195Tex石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体，Z向纤维间距为2.5mm预制体的体积分数为45%。
[0034]将石英纤维预制体在550°C下热处理除去浸润剂。
[0035]采用石英粉、硅溶胶以及环己酮制备体积分数为30%的复合石英浆料，D50为1.5μm，粘度为 120mPa.s。
[0036]采用制备的复合浆料对石英纤维预制体进行液相浸渍成型，浸渍成型过程辅助真空、压力手段，复合浆料凝胶后在600 °C下热处理。
[0037]按照紧固件的尺寸要求进行初步加工，螺套、螺母的轴向取向石英纤维布的铺层方向垂直，螺栓轴向取向平行于石英纤维布的铺层方向，初步加工尺寸较最终尺寸留有1_
余量，
[0038]采用固含量35%的酸性硅溶胶对初步加工的紧固件进行液相浸渍工艺，热处理温度为3000C，循环浸渍2次，最终热处理5500C后精密加工制备得到紧固件。
[0039]通过上述够工艺制备的Si02f/Si02紧固件常温下导热系数为0.51W/m.K,1000°C下导热系数为0.96W/m.K，且表面加工质量非常好。
[0040]实施例3
[0041 ]采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，195Tex石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体，Z向纤维间距为4mm预制体的体积分数为55%。
[0042 ]将石英纤维预制体在600 0C下热处理除去浸润剂。
[0043]采用石英粉、硅溶胶以及环己酮制备体积分数为38%的复合石英浆料，D50为Ιμπι，粘度为10mPa.S。
[0044]采用制备的复合浆料对石英纤维预制体进行液相浸渍成型，浸渍成型过程辅助真空、压力手段，复合浆料凝胶后在800 °C下热处理。
[0045]按照紧固件的尺寸要求进行初步加工，螺套、螺母的轴向取向石英纤维布的铺层方向垂直，螺栓轴向取向平行于石英纤维布的铺层方向，初步加工尺寸较最终尺寸留有
0.5mm余量，
[0046]采用固含量40%的酸性硅溶胶对初步加工的紧固件进行液相浸渍工艺，热处理温度为3000C，浸渍2次，最终热处理5500C后精密加工制备得到紧固件。
[0047]通过上述够工艺制备的Si02f/Si02紧固件常温下导热系数为0.41W/m.K,1000°C下导热系数为0.80W/m.K，且表面加工质量非常好。
【主权项】
1.一种低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤如下: (1)采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体； (2)采用热处理的方式去除石英纤维预制体表面的浸润剂； (3)采用Al2O3-S12复合溶胶制备界面涂层，取出石英纤维预制体沥干后干燥处理； (4)采用复合石英浆料通过液相浸渍工艺成型，通过热处理制得纤维复合材料坯体； (5)纤维复合材料坯体进行粗加工，粗加工过程中紧固件的螺纹加工处留有0.5-lmm的加工余量，其他部位留有l_3mm余量，紧固件加工内螺纹的轴向取向石英纤维布的铺层方向垂直，紧固件加工外螺纹的轴向取向平行于石英纤维布的铺层方向； (6)采用酸性硅溶胶通过液相浸渍工艺进行浸渍，然后热处理，循环浸渍和热处理2-3次，最后精密加工制备得到紧固件。2.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的石英纤维预制体Z向纤维间距为2-4mm，体积分数为40-55%。3.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的热处理温度为400-6000C。4.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的制备界面涂层是在真空下保持30-60min，真空度小于0.0lMPa。5.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的Al2O3-S12复合溶胶的固含量为10-30%，干燥温度为80-180 °C。6.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的复合石英浆料是采用石英粉、硅溶胶和添加剂制备而成，D50控制在10ηπι-2μπι之间，粘度小于150mPa.S。7.根据权利要求6所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于所述的添加剂为环己酮、丙烯酰胺、N，N-亚甲基丙烯酰胺、过硫酸胺或乳酸中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的复合石英浆料的体积分数为30-40%，热处理温度为500-800°C。9.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(6)中所述的酸性硅溶胶的固含量为20-40 %。10.根据权利要求1所述的低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于步骤(6)中所述的热处理温度为200-550°C。
【专利摘要】本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种低导热陶瓷基复合材料紧固件的制备方法。采用石英纤维五枚缎纹布XY向叠加铺层，石英纤维Z向单股双向贯穿制备细编穿刺结构的石英纤维预制体；采用Al2O3-SiO2复合溶胶制备界面涂层，取出石英纤维预制体沥干后干燥处理；采用复合石英浆料通过液相浸渍工艺成型，通过热处理制得纤维复合材料坯体；纤维复合材料坯体进行粗加工，采用酸性硅溶胶通过液相浸渍工艺进行浸渍，然后热处理，最后精密加工制备得到紧固件。本发明采用细编穿刺工艺制备石英纤维预制体，细编穿刺结构预制体适合螺纹的加工，螺纹表面加工质量好，且耐温高、韧性好、导热系数低。
【IPC分类】C04B35/14, C04B41/85, F16B35/00, C04B41/89, F16B37/00
【公开号】CN105646008
【申请号】
【发明人】韦其红, 王洪升, 王重海, 邵长涛, 李伶, 栾强, 王营营, 程洪浩
【申请人】山东工业陶瓷研究设计院有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月29日