专利名称：SiC基复合材料构件及其在线连接制备方法
技术领域：
本发明涉及一种SiC基复合材料构件，还涉及一种SiC基复合材料构件的连接制备方法。
技术背景目前，SiC基复合材料具有良好的高温力学性能，如C/SiC复合材料在超过1600'C 的惰性环境中仍能维持很高的强度和较高的断裂韧性，同时SiC基复合材料还具有热膨胀系数低、抗热震性能优良等特点，这些优异的性能使其作为高温热结构材料广泛应用于航空、航天以及能源领域。然而，SiC基复合材料的缺点也很明显首先是难成型、难 加工、成本高；其次，用传统的机械连接方法制成的复杂耐高温结构件，高温连接强度和高温密封性问题不能得到有效解决，且结构完整性也成为难题。因此，通过采用复合材料的在线连接方法使得大尺寸、复杂化的SiC基复合材料构件的成型和制备成为可能。 SiC基复合材料的连接一般包括两个方面 一是连接的制备工艺；二是连接接头的材料及结构设计。连接接头可以借鉴金属连接的接头设计，传统的金属连接接头常用的连接方式有对接、搭接等，同时也广泛应用销钉、螺钉等辅助连接；而SiC基复合材料构件的连接制备工艺有很多种，典型的如金属钎焊，该方法由于采用金属作为连接剂，使得连接部的使用温度受到限制(一般不超过900'C)。目前，对SiC基复合材料连接制备工艺研究最多的是原位反应法连接和先驱体转化法连接。原位反应法连接是从SiC反应成型中发展起来的，是目前连接SiC基陶瓷的一种主要连接方法。该法克服了用金属中间层钎焊或扩散连接陶瓷时接头的使用温度低于母材， 以及因金属与陶瓷母材线膨胀系数的不匹配而产生的应力使接头性能削弱的不足，其独 特之处在于产生的接头组织是可设计的，尤其是接头中间的热及力学性能是可设计的。 另外，在连接温度(或浸润温度)下不需要高温夹具来装卡试件，因此这种方法不仅可 以用于连接陶瓷，还可以用于修补陶瓷件。先驱体转化法连接是以先驱体为粘接剂，通过高温裂解连接陶瓷及陶瓷基复合材料。 这是一种新型的连接工艺，该工艺利用先驱体粘接剂在高温时发生反应裂解形成陶瓷接头，从而提高了连接接头的高温性能。与原位反应法相比，采用先驱体转化工艺制备SiC 基复合材料连接接头具有制备温度低(120(TC左右)、对复合材料的损伤小、高温接头稳 定性好的优点；同时，由于该方法下连接接头、材料及构件的制备同时进行，也方便地解决了连接层的密封问题。针对SiC基复合材料的连接，目前大多采用硅树脂连接粘接 剂，裂解后的连接层组分(Si—0"C陶瓷)耐高温性能差， 一般只能在低于110(TC的条 件下使用。采用SiC的先驱体聚碳硅烷(PCS)作为粘接剂主要用于热压SiC基陶瓷连 接，也有用作SiC/SiC复合材料连接的少量报导，但一般是采用在pcs中填加活性填料 Si来降低PCS在裂解过程中的体积收縮，而Si的存在会大大降低连接接头的高温使用性 能；此外，若采用单组分的PCS作为粘接剂，高温裂解过程中会出现PCS的熔融流失，从而导致连接接头的结合性能降低。 发明内容本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种连接接头稳定可靠并能耐高温，且其化学、力学的相容性以及结构完整性良好的SiC基复合材料构件，还提供一种制备温度低、对复合材料损伤较小、简单实用且能够满足复合材料构件高温使用要求的SiC基复合材料构件的在线连接制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出了一种SiC基复合材料构件，该构件是由预制的 SiC基复合材料被连接件在线连接而成，所述被连接件是通过位于连接接头处的连接层连 接成一体，其特征在于所述连接层的组分为纯SiC材料，该SiC材料是以SiC的先驱体 溶液为胶粘剂、以SiC粉体为填料，通过采用先驱体转化法生成。所述被连接件在连接接头处的连接方式可以为搭接、对接或者楔形连接。所述SiC基复合材料构件连接接头处可增设连接被连接件和连接层的紧固件，紧固 件连接孔的直径为1 10mm，所述紧固件由SiC基复合材料加工而成。所述紧固件可以为采用多束纤维集束拉制而成的一维SiC基复合材料销钉，或者为 采用二维致密化的SiC基复合材料加工成的销钉，或者为采用三维致密化的SiC基复合 材料加工成的销钉，所述纤维为碳纤维或碳化硅纤维；所述紧固件也可通过采用未致密 化的碳或碳化硅的软纤维束作为软销钉，将软销钉浸渍SiC的先驱体溶液后进行连接固 定，再与连接层及被连接件同时致密化而得到。本发明还提供了一种SiC基复合材料构件的在线连接制备方法，包括以下步骤(1) 被连接件的预制采用现有的先驱体转化工艺制得SiC基复合材料的预制件并 对预制件进行致密化，得到预致密化的SiC基复合材料被连接件；(2) 连接用泥浆的配制采用质量比为i : (o.2 i) : (o o.5)的聚碳硅烷、二乙烯基苯与二甲苯的混合溶液作为胶粘剂，与作为填料的SiC粉体混合后，再加入二甲 基聚硅氧烷或甲基硅氧烷作为消泡剂，消泡剂的加入量为胶粘剂的0.5 5wt%，球磨 5 24小时后形成连接用泥浆，胶粘剂占泥浆总体积比控制在15 50%;(3) 固化裂解将上述连接用泥浆均匀涂刷在两个以上的被连接件的连接面上，连接成一体后低温固化，固化温度为180 220°C，固化时间为1 5小时；将固化后形成的 复合材料试件转移到裂解炉中，惰性气体或氮气保护下进行800 180(TC的高温裂解，保 持0.5 2小时；(4) 反复致密化用现有的先驱体转化工艺对上述高温裂解后的复合材料试件进行反复致密化，反复3 10个周期，得到致密化的SiC基复合材料构件成品。在上述制备工艺的过程中，可以在进行固化裂解前将预致密化的SiC基复合材料被 连接件加工成搭接、对接或者楔形连接结构，在被连接件配合连接的连接接头处配钻连 接孔，并预置与连接孔相配合的SiC基复合材料的紧固件；在固化、裂解过程中将上述 连接用泥浆还均匀涂刷在所述紧固件表面，并将紧固件与连接层、被连接件连接成一体 后， 一起进行低温固化、高温裂解和反复致密化，最后制得连接接头处带有紧固结构的 SiC基复合材料构件。与现有技术相比，本发明的优点在于所述复合材料构件的连接层组分为纯SiC材料， 能够保证连接接头及整个构件在高温、氧化环境中使用的可靠性；而在该构件连接接头 的结构设计中采用紧固件(例如采用1D、 2D或3DSiC基复合材料销钉，或者采用软纤 维束销钉)作辅助连接，进一步保证了该构件连接接头在高温下使用的可靠性。本发明 SiC基复合材料构件的连接层、紧固件(如销钉)与被连接件之间有相近的热膨胀系数 (CTE)，连接层、紧固件与被连接件之间还有较好的化学和力学相容性，连接层、紧固 件与被连接件均可以满足高温使用要求(1200 175(TC)，因而能够获得整体性能优异且 完整性好的SiC基复合材料构件。而本发明复合材料构件的在线连接制备方法采用PCS/二乙烯基苯(DVB)混合溶液 为粘接剂，以SiC微粉为连接填充介质，通过先驱体转化工艺制备得到SiC基复合材料 构件，整个连接工艺利用了PCS/DVB的低温交联特性，使得低温下制得的构件连接接头 具有很好的连接强度；另外，本发明的制备方法也避免了采用单组分PCS为粘接剂时在 高温裂解过程中流失而导致连接性能变差的缺陷。本发明复合材料构件的在线连接制备 工艺和紧固件及SiC基复合材料的制备工艺高度一致，无需添加额外的设备，对被连接 件的宏观形状和尺寸没有特殊要求，能够实现大型复杂构件、异型件的连接成型，整个 连接制备工艺成本小、简单实用、用途广泛。
图1为实施例1、 2所示构件在连接接头处的剖面示意图； 图2为SiC基复合材料连接层断口形貌显微照片。其中a—连接层；b—被连接件；C一销钉。
具体实施方式
实施例l:如图1、图2所示， 一种SiC基复合材料构件，该构件是由预制的SiC基复合材料被 连接件b在线连接而成，其连接层a的组分为SiC材料，两被连接件b在连接接头处是采 用搭接结构，连接接头处设有连接被连接件和连接层的销钉c,销钉c的连接孔的孔径为 <D5mm，连接用销钉c为三维致密化的SiC基复合材料加工而成。所述SiC基复合材料 构件是采用下述方法制备得到(1) 将6K吉林碳素纤维厂制备的2号胶碳纤维编织成平板，真空浸渍PCS/二甲苯 的混合溶液后(PCS与二甲苯的质量比为1 : 1)，在IIO(TC、 Ar气保护下进行高温裂解， 重复浸渍、裂解过程6个周期后，将所得的SiC基复合材料加工成具有搭接结构的被连 接件，使两被连接件的接头相互配合后，在搭接面钻出直径05mra的销钉孔；(2) 采用直径约6mm的棒状编织件，通过步骤(1)所述的先驱体转化工艺致密化 6个周期后，采用车床加工出直径为05mm的连接用三维SiC基复合材料销钉；(3) 将作为胶粘剂的质量比为i: 0.5: 0.5的pcs、 dvb与二甲苯的混合溶液，与 作为填料的sic微粉按体积比i: 1.5混合后，再加入胶粘剂质量含量1%的二甲基聚硅氧烷为消泡剂，球磨24小时后形成连接用泥浆；(4) 将连接用泥浆均匀的涂刷在两被连接件的连接面和销钉表面，连接成一体后置 于金属模具中，施加20MPa的机械压力成型后在18(TC烘箱中固化2小时，将固化后的 试件脱模后转移到裂解炉中，Ar气保护下进行120(TC、保温2小时的高温裂解；(5) 将高温裂解后的复合材料试件浸渍PCS/二甲苯混合溶液后(PCS与二甲苯的 质量比为1:1)，再进行高温裂解，反复浸渍、裂解过程7个周期，以提高SiC基复合材 料试件(尤其是连接层)的致密度，最后得到具有一定连接强度的SiC基复合材料构件 成品。实施例2:如图1所示， 一种SiC基复合材料构件，该构件是由预制的SiC基复合材料被连接 件b在线连接而成，其连接层a的组分为SiC材料，两被连接件b在连接接头处是采用 搭接结构，连接接头处设有连接被连接件b和连接层a的销钉c，销钉c的连接孔的孔径 为(D3mm，连接用销钉c为一维SiC/SiC基复合材料加工而成。所述SiC基复合材料构 件是采用下述方法制备得到(1) 将Hi-Nicalon SiC纤维编织成平板，真空浸渍PCS的二甲苯溶液(PCS与二甲 苯的质量比为1 : 1)后，在1200°C、 N2保护下进行高温裂解，重复浸渍、裂解过程6 个周期后，将所得的SiC基复合材料加工成具有搭接结构的被连接件，使两被连接件相 互配合后，在搭接面钻出直径03mm的销钉孔；(2) 将30束(500根/束)Hi-Nicalon SiC纤维通过集束孔集束，并在PCS/DVB的 混合溶液中浸渍后，对纤维两端加张拉力，置于20(TC烘箱中固化，然后在在1200°C、 N2保护下进行高温裂解，继续采用步骤(1)所示的先驱体转化工艺致密化6个周期后， 将销钉表面用砂纸打磨光滑形成直径03mm的连接用一维SiC/SiC基复合材料销钉；(3) (5)同实施例1的步骤(3) (5)。实施例3:一种SiC基复合材料构件，该构件是由预制的SiC基复合材料被连接件在线连接而 成，其连接层的组分为SiC材料，两被连接件在连接接头处是采用楔形连接方式，连接 接头处还设有连接被连接件和连接层的销钉，销钉的连接孔的孔径为①6mrn，连接用销 钉是通过采用未致密化的软纤维束作为软销钉，与连接层及被连接件同时致密化而得到。 所述SiC基复合材料构件是采用下述方法制备得到(1) 将T300碳纤维编织成平板，真空浸渍PCS的二甲苯溶液(PCS与二甲苯的质 量比为1 : 1)后，在1200°C、 N2保护下进行高温裂解，重复浸渍、裂解过程6个周期后， 将所得的C/SiC复合材料加工成具有楔形连接结构的被连接件，使两被连接件的接头相 互配合后，在楔形连接面钻出直径06mm的销钉孔；(2) 同实施例1中的步骤(3);(3) 将连接用泥浆均匀的涂刷在被连接件的连接表面，然后将4束50K的碳纤维浸 渍连接用泥浆后穿过销钉孔作为软销钉使用，再将被连接件及软销钉一同置于180'C的烘 箱中固化3小时，再将固化后的试件转移到裂解炉中，Ar气保护下进行1200°C、保温 0.5小时的高温裂解；(4) 将连接成一体后的复合材料试件浸渍PCS的二甲苯溶液(PCS与二甲苯的质 量比为1 : 1)后，再进行高温裂解，反复浸渍、裂解过程10个周期，以提高SiC基复合 材料试件(尤其是连接层)的致密度，得到具有一定连接强度的SiC基复合材料构件成叩o
权利要求
1、一种SiC基复合材料构件，该构件是由预制的SiC基复合材料被连接件在线连接而成，所述被连接件是通过位于连接接头处的连接层连接成一体，其特征在于所述连接层的组分为纯SiC材料，该SiC材料是以SiC的先驱体溶液为胶粘剂、以SiC粉体为填料，通过采用先驱体转化法生成。
2、 根据权利要求l所述的SiC基复合材料构件，其特征在于所述被连接件在连接接头处的连接方式为搭接、对接或者楔形连接。
3、 根据权利要求1或2所述的SiC基复合材料构件，其特征在于所述连接接头处设 有连接被连接件和连接层的紧固件，紧固件连接孔的直径为1 10mm，所述紧固件由SiC 基复合材料加工而成。
4、根据权利要求3所述的SiC基复合材料构件，其特征在于所述紧固件为采用多束 纤维集束拉制而成的一维SiC基复合材料销钉，或者为采用二维致密化的SiC基复合材 料加工成的销钉，或者为采用三维致密化的SiC基复合材料加工成的销钉，所述纤维为 碳纤维或碳化硅纤维。
5、 根据权利要求3所述的SiC基复合材料构件，其特征在于所述紧固件是通过采用 未致密化的碳或碳化硅的软纤维束作为软销钉，将软销钉浸渍SiC的先驱体溶液后进行 连接固定，再与连接层及被连接件同时致密化而得到。
6、 一种SiC基复合材料构件的在线连接制备方法，包括以下步骤(1) 被连接件的预制采用现有的先驱体转化工艺制得SiC基复合材料的预制件并 对预制件进行致密化，得到预致密化的SiC基复合材料被连接件；(2) 连接用泥浆的配制采用质量比为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为胶粘剂，与作为填料的SiC粉体混合后，再加入二甲 基聚硅氧烷或甲基硅氧垸作为消泡剂，消泡剂的加入量为胶粘剂的0.5 5wt%，球磨 5 24小时后形成连接用泥浆，胶粘剂占泥浆总体积比控制在15 50%;(3) 固化裂解将上述连接用泥浆均匀涂刷在两个以上的被连接件的连接面上，连 接成一体后低温固化，固化温度为180 220°C，固化时间为1 5小时；将固化后的复合 材料试件转移到裂解炉中，惰性气体或氮气保护下进行800 180(TC的高温裂解，保持 0.5 2小时；(4) 反复致密化用现有的先驱体转化工艺对上述高温裂解后的复合材料试件进行反复致密化，反复3 10个周期，得到致密化的SiC基复合材料构件成品。
7、根据权利要求6所述的在线连接制备方法，其特征在于在进行固化裂解步骤前， 将预致密化的被连接件加工成搭接、对接或者楔形连接结构，在被连接件的连接接头处 配钻连接孔，并预置与连接孔相配合的SiC基复合材料的紧固件；在固化、裂解过程中 将上述连接用泥浆还均匀涂刷在所述紧固件表面，并将紧固件与被连接件相互配合连成 一体后， 一起进行低温固化、高温裂解和反复致密化，最后制得连接接头处带有紧固结 构的SiC基复合材料构件。
全文摘要
本发明公开了一种SiC基复合材料构件及其在线连接制备方法，所述构件是由被连接件通过位于连接接头处的连接层连接成一体，其特征在于该连接层的组分为纯SiC材料，且该SiC材料是以聚碳硅烷/二乙烯基苯的混合溶液为胶粘剂、以SiC微粉为填充介质，通过先驱体转化工艺制备得到；通过SiC基复合材料紧固件进行辅助连接和加固，可得到连接强度更高的SiC基复合材料构件。本发明的制备方法简单实用、成本小，通过该方法制得的SiC基复合材料构件，具有良好的耐高温性能及力学相容性，且结构完整性好，该在先连接制备方法特别适合于大型复杂构件的连接成型和制备。
文档编号C04B37/00GK101224993SQ20081003055
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者张玉娣, 张长瑞, 曹英斌, 军 王, 胡海峰 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学