专利名称：陶瓷基复合材料螺栓的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法。
技术背景在公知的航天领域，用于航天飞行器热防护系统结构件连接的螺栓螺母，由于航天飞行 器飞行条件十分恶劣，再入大气层时与空气发生摩擦，头锥、机翼前缘和机身襟翼表面最高 温度可达1650°C，这就要求螺栓螺母具备优异的热物理化学性能和力学性能。航天用标准螺栓螺母材料有石墨、C/C复合材料以及C/SiC复合材料。石墨具有耐高温、 低密度及耐磨性好等一系列优点，但是高温抗氧化性差、强度低。C/C复合材料具有耐高温、 低密度、高比强、抗磨损、抗疲劳性能好等一系列优点，但是高温抗氧化性差，在400。C以 上即开始氧化。C/SiC复合材料具有比强度高、比模量和断裂韧性高，密度低，抗烧蚀性好 和可设计性等优点，可以很好地适应航天技术对超高温构件的使用要求。参照图1 。文献"Whale, Eric. Ceramic fasteners for high temperature applications. Materials Technology 2000, 15(4): 276-281"公开了一种采用热梯度化学气相沉积(以下简称CVI)工艺 制备二维C/SiC复合材料螺栓的方法，该方法先用碳纤维进行0/卯°正铺和±45°斜铺，形成 0/90。正铺层纤维3和土45。斜铺层纤维4交替叠层制备碳纤维预制体，再用热梯度CVI工艺 在纤维预制体上沉积SiC，然后用金刚石磨轮加工出螺栓外螺纹。由于该方法加工螺栓外螺 纹是在CVI工艺沉积SiC完成后进行的，C/SiC复合材料硬度高，金刚石磨轮磨损较快，加 工出的C/SiC复合材料螺栓质量难以保证，金刚石磨轮的磨损还导致加工成本提高。同时， CVI工艺制造较大直径螺栓时内部致密度差，螺栓强度偏低。据该文献记载，该方法制备的 2D C/SiC复合材料螺栓的室温拉伸断裂强度约为180 190MPa。 发明内容为了克服现有技术质量差、成本高的不足，本发明提供一种陶瓷基复合材料螺栓的制备 方法，利用在预制体上沉积热解碳界面层，结合CVI沉积和聚合物浸渍裂解(以下简称PIP) 制备C/SiC复合材料螺栓，可以提高螺栓的拉伸断裂强度，降低制备成本。本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法，其特征在于包括下述步骤-(a) 用1K碳纤维进行0/90。正铺和ie (0°^￡90°)斜铺，制备碳纤维二维板材预制体；(b) 在碳纤维预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度800 卯0。C，压力 0.2 0.4kPa，丙烯流量25 35ml/min， Ar气流量250 350ml/min，沉积时间40 60h;(C)在沉积有热解碳界面层的二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度800 IOO(TC，压力2 4kPa， H2气流量150 250ml/min， Ar气流量250 350ml/min，三氯甲基硅 烷MTS温度25 35°C， H2与MTS的摩尔质量比为8 12、沉积时间220 260h，形成半成 品陶瓷基复合材料；(d) 在半成品陶瓷基复合材料上切割形成'T'字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺 母在螺栓毛坯上攻丝，形成半成品螺栓；(e) 将半成品螺栓在900 110(TC多次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1400 1600'C进行热处 理2 4h;(f) 再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积温度为800 100(TC，气体为三氯甲 基硅垸，沉积时间50 70h,得到成品C/SiC复合材料螺栓。本发明的有益效果是由于该方法采用先在预制体上沉积热解碳，结合CVI沉积和PIP 制备SiC，在未完全沉积致密的半成品陶瓷基复合材料预制体上加工螺栓并攻丝，对金刚石 磨轮磨损较慢，保证了C/SiC复合材料螺栓的加工质量和强度，降低了生产成本，C/SiC复合 材料螺栓的室温拉伸断裂强度由现有技术的180 190MPa提高到了 210 230MPa。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是背景技术中碳纤维铺层示意图。图2是本发明制备方法所制备的陶瓷基复合材料螺栓的照片。 图3是图2中陶瓷基复合材料螺栓螺纹牙的纵剖面显微照片。 图中，l-螺栓，2-螺纹牙，3-0/90°正铺层纤维，4-±0°斜铺层纤维。
具体实施方式
参照附图。实施例l:用1K碳纤维按照0。正铺第一层，在其上面垂直于第一层正铺第二层，在其上面于第二层成+45。角斜铺第三层，再在其上面于第三层成一45。角斜铺第四层，并按照此顺 序交替铺层，按照所需螺栓的大小制备碳纤维二维板材预制体。正铺层纤维3与螺栓的螺杆 中心线平行，斜铺层纤维4与螺栓的螺纹牙2面平行。在碳纤维二维板材预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度80(TC，压力 0.2kPa，丙烯流量35ml/min， Ar气流量250ml/min，沉积时间60h。在沉积有热解碳界面层的碳纤维二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度 SOO。C，压力4kPa, H2气流量150ml/min, Ar气流量250ml/min，三氯甲基硅烷温度35°C， H2与MTS的摩尔质量比为12，沉积时间260h，形成半成品陶瓷基复合材料。在半成品陶瓷基复合材料上切割形成T'字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺母在螺 栓毛坯上攻丝，形成的半成品螺栓。制成的螺纹牙2的角度e为2x45。-90。。将半成品螺栓在卯CTC四次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1400'C进行热处理2h。将螺栓螺纹牙2之间的裂解产物清理后，再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积 温度为80(TC，气体为三氯甲基硅烷，沉积时间70h，得到成品C/SiC复合材料螺栓。本实施例所制备的C/SiC复合材料螺栓，经室温拉伸强度测试，螺栓的螺纹牙不发生脱 齿现象，而是螺杆发生断裂破坏，螺栓拉伸断裂强度为220MPa。实施例2:用1K碳纤维按照0。正铺第一层，在其上面垂直于第一层正铺第二层，在其上 面于第二层成+45。角斜铺第三层，再在其上面于第三层成一45。角斜铺第四层，并按照此顺 序交替铺层，按照所需螺栓的大小制备碳纤维二维板材预制体。正铺层纤维3与螺栓的螺杆 中心线平行，斜铺层纤维4与螺栓的螺纹牙2面平行。在碳纤维二维板材预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度840°C，压力 0.3kPa，丙烯流量28ml/min， Ar气流量270ml/min,沉积时间45h。在沉积有热解碳界面层的碳纤维二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度850°C，压力3kPa， H2气流量170ml/min， Ar气流量280ml/min，三氯甲基硅烷温度27°C， H2与MTS的摩尔质量比为11，沉积时间250h，形成半成品陶瓷基复合材料。在半成品陶瓷基复合材料上切割形成'T'字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺母在螺 栓毛坯上攻丝，形成的半成品螺栓。制成的螺纹牙2的角度9为2><45° = 90°。将半成品螺栓在95(TC五次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1450'C进行热处理3h。将螺栓螺纹牙2之间的裂解产物清理后，再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积 温度为850。C，气体为三氯甲基硅烷，沉积时间65h，得到成品C/SiC复合材料螺栓。本实施例所制备的C/SiC复合材料螺栓，经室温拉伸强度测试，螺栓的螺纹牙不发生脱 齿现象，而是螺杆发生断裂破坏，螺栓拉伸断裂强度为230MPa。实施例3:用1K碳纤维按照0。正铺第一层，在其上面垂直于第一层正铺第二层，在其上 面于第二层成+ 30。角斜铺第三层，再在其上面于第三层成一30。角斜铺第四层，并按照此顺 序交替铺层，按照所需螺栓的大小制备碳纤维二维板材预制体。正铺层纤维3与螺栓的螺杆 中心线平行，斜铺层纤维4与螺栓的螺纹牙2面平行。在碳纤维二维板材预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度87(TC,压力 0.3kPa，丙烯流量31ml/min, Ar气流量310ml/min，沉积时间55h。在沉积有热解碳界面层的碳纤维二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度 900°C，压力3kPa， H2气流量230ml/min， Ar气流量310ml/min，三氯甲基硅烷温度31°C，H2与MTS的摩尔质量比为9，沉积时间230h，形成半成品陶瓷基复合材料。在半成品陶瓷基复合材料上切割形成'T'字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺母在螺栓毛坯上攻丝，形成的半成品螺栓。制成的螺纹牙2的角度0为2><30° = 60°。 将半成品螺栓在IOO(TC六次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1550'C进行热处理3h。 将螺栓螺纹牙2之间的裂解产物清理后，再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积温度为95(TC,气体为三氯甲基硅烷，沉积时间55h,得到成品C/SiC复合材料螺栓。本实施例所制备的C/SiC复合材料螺栓，经室温拉伸强度测试，螺栓的螺纹牙不发生脱齿现象，而是螺杆发生断裂破坏，螺栓拉伸断裂强度为210MPa。实施例4:用1K碳纤维按照0。正铺第一层，在其上面垂直于第一层正铺第二层，在其上面于第二层成+ 30。角斜铺第三层，再在其上面于第三层成一30。角斜铺第四层，并按照此顺序交替铺层，按照所需螺栓的大小制备碳纤维二维板材预制体。正铺层纤维3与螺栓的螺杆中心线平行，斜铺层纤维4与螺栓的螺纹牙2面平行。在碳纤维二维板材预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度90(TC,压力0.4kPa，丙烯流量25ml/min， Ar气流量350ml/min，沉积时间40h。在沉积有热解碳界面层的碳纤维二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度IOOCTC，压力2kPa， H2气流量250ml/min， Ar气流量350ml/min，三氯甲基硅烷温度25°C, H2与MTS的摩尔质量比为8,沉积时间220h，形成半成品陶瓷基复合材料。在半成品陶瓷基复合材料上切割形成'T，字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺母在螺 栓毛坯上攻丝，形成的半成品螺栓。制成的螺纹牙2的角度e为2x30。-60。。将半成品螺栓在IIO(TC五次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1600'C进行热处理4h。将螺栓螺纹牙2之间的裂解产物清理后，再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积 温度为100(TC，气体为三氯甲基硅烷，沉积时间50h，得到成品C/SiC复合材料螺栓。本实施例所制备的C/SiC复合材料螺栓，经室温拉伸强度测试，螺栓的螺纹牙不发生脱 齿现象，而是螺杆发生断裂破坏，螺栓拉伸断裂强度为215MPa。
权利要求
1. 一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法，其特征在于包括下述步骤(a)用1K碳纤维进行0/90°正铺和±θ(0°≤θ≤90°)斜铺，制备碳纤维二维板材预制体；(b)在碳纤维预制体上沉积热解碳界面层，工艺条件为沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，丙烯流量25～35ml/min，Ar气流量250～350ml/min，沉积时间40～60h；(c)在沉积有热解碳界面层的二维板材上沉积碳化硅基体，工艺条件为沉积温度800～1000℃，压力2～4kPa，H2气流量150～250ml/min，Ar气流量250～350ml/min，三氯甲基硅烷温度25～35℃，H2与MTS的摩尔质量比为8～12，沉积时间220～260h，形成半成品陶瓷基复合材料；(d)在半成品陶瓷基复合材料上切割形成‘T’字形螺栓毛坯，利用金刚石磨轮，配合螺母在螺栓毛坯上攻丝，形成半成品螺栓；(e)将半成品螺栓在900～1100℃多次浸渍裂解聚碳硅烷，然后1400～1600℃进行热处理2～4h；(f)再用CVI方法继续沉积SiC防氧化涂层，沉积温度为800～1000℃，气体为三氯甲基硅烷，沉积时间50～70h，得到成品C/SiC复合材料螺栓。
全文摘要
本发明公开了一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法，其特点包括以下步骤先由1K碳纤维0/90°正铺层和±θ斜铺层交替叠层后利用石墨板定型制备纤维预制体，在该预制体上沉积热解碳界面层，然后在沉积有热解碳界面层的二维板材上沉积碳化硅基体制成半成品陶瓷基复合材料板材，在半成品陶瓷基复合材料板材上切割形成螺栓毛坯并用金刚石磨轮攻丝，最后对半成品螺栓多次浸渍裂解聚碳硅烷并继续CVI沉积SiC防氧化涂层，得到成品C/SiC复合材料螺栓。该方法在未完全沉积致密的半成品陶瓷基复合材料预制体上加工螺栓并攻丝，对金刚石磨轮磨损较慢，降低了生产成本，CVI结合PIP工艺使C/SiC复合材料螺栓的拉伸断裂强度，由现有技术的180～190MPa提高到了210～230MPa。
文档编号F16B35/00GK101265935SQ200810018039
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者张立同, 徐永东, 成来飞, 柯晴青, 辉 梅 申请人:西北工业大学