专利名称：炭/炭复合材料的深度再生修复技术的制作方法
炭/炭复合材料的深度再生修复技术(一) 技术领域-本发明提供一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，属于炭/炭复合材料 技术领域。(二)
背景技术：
炭/炭(C/C)复合材料具有优异的高温机械性能，使其在航空航天领域得 到广泛的应用，但由于其复杂的制备工艺和较脆的特性，使得这种复合材料很 难直接应用于制造大尺寸或者复杂结构的构件。另一方面，C/C复合材料非常 高的制备成本也限制了它相对于其它高温结构材料的优势。目前，尽管己开发 了许多连接技术，但在实际应用中都存在许多缺陷。如螺栓连接、钎焊等技术 等都不可避免对材料本身造成一定的破坏。因此，在高温条件下真正实现安全 有效的连接还必须依赖粘接技术。C/C复合材料的高温粘接材料有两种 一种是有机材料粘接剂，如酚醛树 脂和正硅酸四乙酯等，它们在高温处理后分别能生成炭和氧化硅的无机材料。 这类粘接剂具有很强的粘接性能，然而由于它们是单相结构的材料，使其抗热 震性能不够理想。另一种是无机材料粘接剂，如氧化铝-氧化硼-氧化硅，硅粉 以及一些金属材料粘接剂等。其中氧化铝-氧化硼-氧化硅在高温热处理后能生 成一种氧化铝-硼硅酸盐粘接层，但是这种粘接剂是靠与C/C基体的物理结合，因此其粘接性能不够理想。而硅粉和金属材料粘接剂能直接与c/c基体反应生成一层炭化物粘接过渡层，因而该粘接剂具有很强的粘接性能，但是这些炭化物的热膨胀系数(CTE)远大于C/C基体的CTE，使其容易在热循环过程中形 成很多裂纹。因此，该技术的核心是研制出具有很强的粘接性能、耐高温和耐 热震性能的粘接剂。
发明内容
本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其目的在于提供一种炭 /炭复合材料的深度再生修复技术，用该技术修复后的C/C复合材料在从室温到 170(TC均具有很大的剪切强度，剪切性能测试后表现为基体断裂机制；并且材料在150(TC下进行20次热循环后，它能保持一定的强度。本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其技术方案为以下三部分工艺C/C复合材料的表面处理工艺、高温粘接剂的制备工艺和粘接固化及高温热处理工艺，如图1所示。(1) c/c复合材料的表面处理工艺粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸将粘 接面打磨平整，并且在粘接面加工出一些规则的细槽，然后，将材料浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗2小时，最后在80。C的环境下干燥4小时。(2) 高温粘接剂的制备工艺本发明中高温粘接剂由30-35wt。/。的有机硅树脂，30-35wt。/。的低熔点填料， 20-25wt.。/。的铝粉，15-20 wt.。/。硅粉和0.1-0.5wt.。/。的炭纤维混合而成，其制备步 骤如图2所示。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘接剂(该 字为代理人添加)的质量比为l:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下30(TC固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后在 70(TC-120(TC高温热处理4小时。其中，该高温粘接剂中，有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准， 而铝粉和硅粉是分析纯标准。其中，该低熔点填料的熔点为600-80(TC、粒度为325 425目。其中，该铝粉的粒度为200-325目。其中，硅粉的粒度为200-325目。其中，炭纤维的牌号是T800。 本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其优点及功效在于制备成本较低、粘接强度高、耐高温和耐热震性能，并且材料在150(TC下进行20 次热循环后，它能保持一定的强度。(1) 本发明粘接后的C/C复合材料在从室温到170(TC均具有很大的剪切强 度，特别是在800'C-120(rC时剪切性能测试后表现为基体断裂机帝ij，如图4所示。(2) 本发明粘接后的C/C复合材料在900°C、 1000。C和IIO(TC热循环100次 后，其粘接强度为ll.OOMPa左右，热循环对试样的粘接性能几乎没有影响。 而随着温度的升高，虽然热循环次数降低，但其粘接强度反而逐渐减低，特别 是当试样在150(TC热循环20次后其强度为5.4MPa，说明此时粘接层并没有完 全失效。因此该粘接剂具有很强的抗热震性能，如图5所示。
图1.所示为本发明技术方案的实施步骤流程图 图2.所示为粘接剂制备的步骤流程3.所示为对C/C复合材料深度再生修复性能评价的试样的示意4.所示为与粘接强度随温度变化的曲线示意5.所示为不同温度热震测试后的粘接强度柱状示意6.所示为测试剪切性能测试示意中具体标号如下1. C/C复合材料母板 2. C/C复合材料子板粘接层3.粘接层 4.夹具 5.螺栓符号说明a. T为剪切强度，单位为兆帕(MPa);b. 化为C/C复合材料的剪切强度，单位为兆帕(MPa);c. Temperature为温度，单位为摄氏度(°C);d. P表示载荷，单位是兆帕(MPa)。 单位说明
°c 摄氏度MPa 兆帕 K 开尔文 h 小时 wt.% 质量百分率具体实施例方式实施例一本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术(1) C/C材料的表面处理粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸打磨， 并且在粘接面上打磨出一些规则的细槽。然后将材料浸入无水乙醇内用超声波 清洗机清洗，最后在80。C的环境下干燥4小时，以备粘接。(2) 高温粘接剂的制备方法本发明中粘接剂由30wt，/。的有机硅树脂，35wt。/。的低熔点填料(325~425 目)，15wt。/。的铝粉(200 325目)，20wt,o/o硅粉(200 325目)和0.2wt.。/。的炭 纤维组成，其制备步骤如图2所示。其中有机硅树脂和低熔点填料是工业标准， 其他均是分析纯标准。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘 接剂的质量比为1:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下30(TC固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。然后以50'C/小 时地升温速度加热，最后在80(TC的温度对材料进行高温热处理4小时。(4) 性能评价方法本发明对C/C复合材料的深度再生修复的性能评价按照如下方法进行 *耐热性能。将粘接好的试样放入高真空碳管炉内，在氮气保护下分别于 40(TC至170(TC保温4个小时，然后将其冷却到室温进行粘接性能测试。 *抗热震性能测试。抗热震性能测试是在硅钼棒炉中按照以下过程进行当炉内温度达到所要的温度时(分别是700°C， 900 °C， 1000°C， 1100°C， 1200°C， 1300°C, 140(TC和1500°C)，将试样放入炉内并放置10分钟，然 后将其冷却到室温，在不同的温度下依次分别循环100， 100， 100， 80， 60， 40和20次。*粘接性能测试。是通过在万能电子试验机上测试试样的剪切性能来衡量的。 试样的剪切性能测试按照图6所示进行。图中试样由一对石墨夹具支撑， 并由两个螺丝拧紧，但拧紧时必须保证试样刚好能拔出。实施例二本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术(1) C/C材料的表面处理粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸打磨， 并且在粘接面上打磨出一些规则的细槽。然后将材料浸入无水乙醇内用超声波 清洗机清洗，最后在80'C的环境下干燥4小时，以备粘接。(2) 高温粘接剂的制备方法本发明中粘接剂由25wt。/。的有机硅树脂，35wt。/。的低熔点填料(425目)， 25wt。/。的铝粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纤维组成，其 制备步骤如图2所示。其中有机硅树脂和低熔点填料是工业标准，其他均是分 析纯标准。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘接剂的质量 比为1:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下30(TC固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。然后以5(TC/小 时地升温速度加热，最后在80(TC的温度对材料进行高温热处理4小时。(4) 性能评价方法本发明对C/C复合材料的深度再生修复的性能评价按照如下方法进行 *耐热性能。将粘接好的试样放入高真空碳管炉内，在氮气保护下分别于 40(TC至170(TC保温4个小时，然后将其冷却到室温进行粘接性能测试。 *抗热震性能测试。抗热震性能测试是在硅钼棒炉中按照以下过程进行当 炉内温度达到所要的温度时(分别是700°C， 900 °C， IOO(TC， 1100°C, 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，将试样放入炉内并放置10分钟，然 后将其冷却到室温，在不同的温度下依次分别循环100， 100， 100， 80， 60， 40和20次。*粘接性能测试。是通过在万能电子试验机上测试试样的剪切性能来衡量的。 试样的剪切性能测试按照图6所示进行。图中试样由一对石墨夹具支撑， 并由两个螺丝拧紧，但拧紧时必须保证试样刚好能拔出。实施例三本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术(1) C/C材料的表面处理粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸打磨， 并且在粘接面上打磨出一些规则的细槽。然后将材料浸入无水乙醇内用超声波 清洗机清洗，最后在8(TC的环境下干燥4小时，以备粘接。(2) 高温粘接剂的制备方法本发明中粘接剂由30wt。/。的有机硅树脂，35wt。/。的低熔点填料(425目)， 15wt。/。的铝粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.4wt.。/。的炭纤维组成，其 制备步骤如图2所示。其中有机硅树脂和低熔点填料是工业标准，其他均是分 析纯标准。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘接剂的质量 比为1:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下30(TC固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。然后以5(TC/小 时地升温速度加热，最后在80(TC的温度对材料进行高温热处理4小时。 (4)性能评价方法本发明对C/C复合材料的深度再生修复的性能评价按照如下方法进行 * 耐热性能。将粘接好的试样放入高真空碳管炉内，在氮气保护下分别于40(TC至170(TC保温4个小时，然后将其冷却到室温进行粘接性能测试。 *抗热震性能测试。抗热震性能测试是在硅钼棒炉中按照以下过程进行当 炉内温度达到所要的温度时(分别是700°C， 900 °C， IOO(TC， IIO(TC， 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，将试样放入炉内并放置10分钟，然 后将其冷却到室温，在不同的温度下依次分别循环100， 100， 100， 80， 60， 40和20次。 粘接性能测试。是通过在万能电子试验机上测试试样的剪切性能来衡量的。 试样的剪切性能测试按照图6所示进行。图中试样由一对石墨夹具支撑， 并由两个螺丝拧紧，但拧紧时必须保证试样刚好能拔出。实施例四本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术(1) C/C材料的表面处理粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸打磨， 并且在粘接面上打磨出一些规则的细槽。然后将材料浸入无水乙醇内用超声波 清洗机清洗，最后在80'C的环境下干燥4小时，以备粘接。(2) 高温粘接剂的制备方法本发明中粘接剂由30wt /。的有机硅树脂，35wt。/。的低熔点填料(425目)， 15wt。/。的铝粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纤维组成，其 制备步骤如图2所示。其中有机硅树脂和低熔点填料是工业标准，其他均是分 析纯标准。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘接剂的质量 比为1:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下30(TC固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。然后以5(TC/小 时地升温速度加热，最后在IOO(TC的温度对材料进行高温热处理4小时。 (4)性能评价方法
技术领域：
本发明对C/C复合材料的深度再生修复的性能评价按照如下方法进行 *耐热性能。将粘接好的试样放入高真空碳管炉内，在氮气保护下分别于40(TC至17(KTC保温4个小时，然后将其冷却到室温进行粘接性能测试。 *抗热震性能测试。抗热震性能测试是在硅钼棒炉中按照以下过程进行当 炉内温度达到所要的温度时(分别是700°C， 900 °C， 1000°C， ll(XTC， 1200°C， 1300°C, 140(TC和1500°C)，将试样放入炉内并放置10分钟，然 后将其冷却到室温，在不同的温度下依次分别循环100， 100， 100， 80， 60， 40和20次。*粘接性能测试。是通过在万能电子试验机上测试试样的剪切性能来衡量的。 试样的剪切性能测试按照图6所示进行。图中试样由一对石墨夹具支撑， 并由两个螺丝拧紧，但拧紧时必须保证试样刚好能拔出。实施例五本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术(1) C/C材料的表面处理粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸打磨， 并且在粘接面上打磨出一些规则的细槽。然后将材料浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗，最后在8(TC的环境下干燥4小时，以备粘接。(2) 高温粘接剂的制备方法本发明中粘接剂由30wt。/。的有机硅树脂，35wtn/。的低熔点填料(425目)， 15wt.。/。的铝粉(325目)，20wty。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纤维组成，其 制备步骤如图2所示。其中有机硅树脂和低熔点填料是工业标准，其他均是分 析纯标准。将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘接剂的质量 比为l:4的二甲苯以保证其较低的黏度。(3) 粘接固化及高温热处理工艺本发明在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上， 然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境 下300'C固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。然后以5(TC/小 时地升温速度加热，最后在1200'C的温度对材料进行高温热处理4小时。(4)性能评价方法本发明对C/C复合材料的深度再生修复的性能评价按照如下方法进行 *耐热性能。将粘接好的试样放入高真空碳管炉内，在氮气保护下分别于40(TC至170(TC保温4个小时，然后将其冷却到室温进行粘接性能测试。 *抗热震性能测试。抗热震性能测试是在硅钼棒炉中按照以下过程进行当 炉内温度达到所要的温度时(分别是700°C， 900 °C， IOO(TC， IIO(TC， 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，将试样放入炉内并放置10分钟，然 后将其冷却到室温，在不同的温度下依次分别循环100， 100, 100， 80， 60， 40和20次。 粘接性能测试。是通过在万能电子试验机上测试试样的剪切性能来衡量的。 试样的剪切性能测试按照图6所示进行。图中试样由一对石墨夹具支撑， 并由两个螺丝拧紧，但拧紧时必须保证试样刚好能拔出。
权利要求
1、本发明一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特征在于该技术包含以下三部分工艺C/C复合材料的表面处理工艺、高温粘接剂的制备工艺和粘接固化及高温热处理工艺(1)C/C复合材料的表面处理工艺粘接面的处理按照以下两个步骤进行首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸将粘接面打磨平整，并且在粘接面加工出一些规则的细槽，然后，将材料浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗2小时，最后在80℃的环境下干燥4小时；(2)高温粘接剂的制备工艺本发明中粘接剂由30-35wt.％的有机硅树脂，30-35wt.％的低熔点填料，20-25wt.％的铝粉，15-20wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纤维混合而成；(3)粘接固化及高温热处理工艺将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上，然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后在700℃-1200℃高温热处理4小时。
2、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于该工艺(2)是将混合好的粘接剂用搅拌器搅拌2小时，其间加入与粘 接剂(该字为代理人添加)的质量比为l:4的二甲苯以保证其较低的黏度。
3、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于该高温粘接剂中，有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准，而 铝粉和硅粉是分析纯标准。
4、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于该低熔点填料的熔点为600-80(TC、粒度为325 425目。
5、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于该铝粉的粒度为200 325目。
6、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于硅粉的粒度为200-325目。
7、 根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，其特 征在于炭纤维的牌号是T800。
全文摘要
本发明提供一种炭/炭复合材料的深度再生修复技术，该技术包含以下三部分(1)C/C复合材料的表面处理首先，粘接面用刚玉粗砂砂纸将粘接面打磨平整，并在粘接面加工出一些规则的细槽，然后，将材料浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗2小时，最后在80℃的环境下干燥4小时；(2)高温粘接剂的制备粘接剂由30-35wt.％的有机硅树脂，30-35wt.％的低熔点填料，20-25wt.％的铝粉，15-20wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纤维混合而成；(3)粘接固化及高温热处理工艺将粘接剂均匀地涂覆在C/C复合材料的粘接面上，然后将C/C复合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后在700℃-1200℃高温热处理4小时。
文档编号C04B37/00GK101157566SQ20071012176
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者军 李, 晨 林, 罗瑞盈 申请人:北京航空航天大学