CN101671194B - 一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，该方法如下：步骤一：高温粘接剂的制备工艺高温粘接剂由35-40wt.％的有机硅树脂，25-30wt.％的低熔点填料，15-20wt.％的硼粉，15-25wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纤维混合而成；步骤二：粘接固化及高温热处理工艺在粘接过程中，将粘接剂均匀地涂覆在表面刻有规则细槽的炭基复合材料粘接面上，然后将其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时。本发明制备成本较低、粘接强度高、耐高温和耐热震性能，并且材料在1500℃下进行50次热循环后，仍能保持一定的强度，它在炭基复合材料领域内具有广泛的实用价值和应用前景。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，所述高温为300～1700℃，属于炭基复合材料技术领域。
(二)背景技术：
炭基复合材料由于其低密度、特殊的力学和热物理性能，越来越得到广泛的关注，特别是炭纤维增强炭基复合材料由于其独特的高温力学、热物理性能，已广泛应用于航空航天等尖端技术领域。炭基复合材料由于其特殊的制备工艺以及炭纤维的添加，材料的成本高于普通材料，因而炭基复合材料的修补技术越来越得到各国学者的关注。炭基复合材料的修补可以在不削减材料性能的基础上，延长炭基复合材料的使用寿命，降低炭基复合材料的成本。目前，已经开发了许多复合材料修补技术，如铆接、焊接等，但是这些修补技术或多或少对材料本身造成一定损伤，导致材料性能下降。粘接技术是另一类复合材料修补技术，它通过高性能粘接剂将使用过的复合材料粘接在一起，使材料回复原有的形貌。先进粘接剂的力学和热物理性能能够满足复合材料的使用要求。选择合适的填料能够保证粘接剂的热膨胀性能和复合材料相匹配。
目前，炭基复合材料用高温粘接剂主要有两种：一种是有机材料粘接剂，另一种是无机材料粘接剂。有机材料粘接剂在高温处理后分别能生成炭和氧化硅，粘接剂粘接性能好，然而其是单相结构的材料，抗热震性能不够理想。无机材料粘接剂通过在高温下生成炭化物将炭基复合材料粘接，但是粘接剂的热膨胀系数(CTE)远大于炭基复合材料的CTE，使其容易在热循环过程中生成很多裂纹。将无机材料和有机材料混合能互补两种高温粘接剂的缺陷，提高高温粘接剂的粘接性能，特别是加入炭纤维后将进一步改善粘接剂的力学性能和热导性能。本发明基于以上观点，提供一种高性能高温粘接剂的制备方法。
(三)发明内容：
1、目的：本发明的目的在于提供一种炭基复合材料用高温(300～1700℃)粘接剂的制备方法，用该技术修补的炭基复合材料从300℃到1700℃均具有很大的力学性能和良好的热物理性能，并且材料在1500℃下进行50次热循环后，它能基本维持原有的力学和热物理性能，1700℃进行20次热循环后，粘接剂性能不会完全失效。
2、技术方案：本发明一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，所述高温粘接剂的高温适用范围为300～1700℃，其技术方案为以下两部分工艺组成：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。
本发明一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，所述高温为300～1700℃(下同)，该方法具体步骤如下：
步骤一：高温粘接剂的制备工艺
本发明中高温粘接剂由35-40wt.％的有机硅树脂，25-30wt.％的低熔点填料，15-20wt.％的硼粉，15-25wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纤维混合而成，(wt.％为质量百分数)
该高温粘接剂的制备步骤如图2所示。将低熔点填料、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小时，然后研磨1小时后过筛得到均匀固体混合物后与炭纤维混合，制备得到粉态混合料；将有机硅树脂和丙酮按一定比例混合，稀释有机硅树脂，然后在80℃水浴加热1小时制成液态混合料；最后将液态混合料和粉态混合料混合，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，最终制成高性能粘接剂。
步骤二：粘接固化及高温热处理工艺
本发明在粘接过程中，将高温粘接剂均匀地涂覆在表面刻有一些规则的细槽炭基复合材料的粘接面上，然后将炭基材料粘接在一起，最后将其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时。
其中，步骤一所述的该高温粘接剂中，有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准，而硼粉和硅粉是分析纯标准。
其中，步骤一所述的有机硅树脂是指正硅酸四乙酯等。
其中，步骤一所述的低熔点填料是指陶瓷粉等。
其中，步骤一所述的低熔点填料，其熔点为600-800℃、粒度为325～425目。
其中，步骤一所述的硼粉，其粒度为200～300目。
其中，步骤一所述的硅粉，其粒度为200～325目。
其中，步骤一所述的炭纤维，其牌号是T500。
其中，步骤一所述的有机硅树脂和丙酮按一定比例混合，其体积比为2/1。
3、优点及功效：本发明一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，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1500℃下进行50次热循环后，它能保持一定的强度。
(1)本发明粘接后的炭基复合材料在从室温到1700℃均具有很大的剪切强度。
(2)本发明粘接后的炭基复合材料在1100℃、1300℃和1500℃热循环100次后，其粘接强度为12.00MPa左右，剪切强度和炭基复合材料剪切性能相当，热循环后粘接剂没有出现裂缝和孔隙，粘接样品不会分开。
(3)当试样在1700℃热循环20次后其强度为7MPa，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。
(四)附图说明：
图1.为本发明技术方案的实施步骤流程图
图2.为粘接剂制备的步骤流程图
(五)具体实施方式：
本发明的实施例如下：
实施例一：
本发明一种炭基复合材料用高温(300～1700℃)粘接剂的制备方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：高温粘接剂的制备方法
本发明中粘接剂由35wt.％的有机硅树脂正硅酸四乙酯，30wt.％的350目低熔点填料陶瓷粉，15wt.％的200目硼粉，19.8wt.％200目硅粉和0.2wt.％的炭纤维组成，其制备步骤如图2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工业标准，其他均是分析纯标准。将陶瓷粉、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小时，然后研磨1小时后过筛得到均匀固体混合物后与炭纤维混合，制备得到粉态混合料；将正硅酸四乙酯和丙酮按体积比为2/1的比例混合，稀释正硅酸四乙酯，然后在80℃水浴加热1小时制成液态混合料；最后将液态混合料和粉态混合料混合，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，最终制成高性能粘接剂。
步骤二：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表面刻有一些规则的细槽炭基复合材料的粘接面上，然后将炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时。
性能的评价
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400℃至1700℃保温5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1100℃，1300℃和1500℃)，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和100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。
实施例二：
本发明一种炭基复合材料用高温(300～1700℃)粘接剂的制备方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：高温粘接剂的制备方法
本发明中粘接剂由35wt.％的有机硅树脂正硅酸四乙酯，25wt.％的350目低熔点填料陶瓷粉，15wt.％的硼粉200目，24.6wt.％硅粉200目和0.4wt.％的炭纤维组成，其制备步骤如图2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工业标准，其他均是分析纯标准。将陶瓷粉、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小时，然后研磨1小时后过筛得到均匀固体混合物后与炭纤维混合，制备得到粉态混合料；将正硅酸四乙酯和丙酮按体积比为2/1的比例混合，稀释正硅酸四乙酯，然后在80℃水浴加热1小时制成液态混合料；最后将液态混合料和粉态混合料混合，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，最终制成高性能粘接剂。
步骤二：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表面刻有一些规则的细槽炭基复合材料的粘接面上，然后将炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时。
性能的评价
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400℃至1700℃保温5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1100℃，1300℃和1500℃)，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和100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。
实施例三：
本发明一种炭基复合材料用高温(300～1700℃)粘接剂的制备方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：高温粘接剂的制备方法
本发明中粘接剂由40wt.％的有机硅树脂正硅酸四乙酯，30wt.％的350目低熔点填料陶瓷粉，15wt.％的200目硼粉，14.6wt.％200目硅粉和0.4wt.％的炭纤维组成，其制备步骤如图2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工业标准，其他均是分析纯标准。将陶瓷粉、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小时，然后研磨1小时后过筛得到均匀固体混合物后与炭纤维混合，制备得到粉态混合料；将正硅酸四乙酯和丙酮按体积比为2/1的比例混合，稀释正硅酸四乙酯，然后在80℃水浴加热1小时制成液态混合料；最后将液态混合料和粉态混合料混合，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，最终制成高性能粘接剂。
步骤二：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表面刻有一些规则的细槽炭基复合材料的粘接面上，然后将炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，然后以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时。
性能的评价
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400℃至1700℃保温5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1100℃，1300℃和1500℃)，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和100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。
Claims (1)
1.一种炭基复合材料用高温粘接剂的制备方法，高温范围为300～1700℃，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：高温粘接剂的制备工艺
高温粘接剂由35-40wt.％的有机硅树脂，25-30wt.％的低熔点填料，15-20wt.％的硼粉，15-25wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纤维混合而成，其制备程序是：将低熔点填料、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小时，然后研磨1小时后过筛得到均匀固体混合物后与炭纤维混合，制备得到粉态混合料；将有机硅树脂和丙酮按一定比例混合，稀释有机硅树脂，然后在80℃水浴加热1小时制成液态混合料；最后将液态混合料和粉态混合料混合，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，最终制成高性能粘接剂；
步骤二：粘接固化及高温热处理工艺
将粘接剂均匀地涂覆在表面刻有规则的细槽的炭基复合材料的粘接面上，使炭基材料粘接在一起，然后将其放入高真空碳管炉内使其在真空度为-0.1MPa的真空环境下300℃固化3小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力，再以50℃/小时地升温速度加热，最后在1700℃高温热处理1小时；
其中，步骤一所述的该高温粘接剂中，有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准，而硼粉和硅粉是分析纯标准；
其中，该有机硅树脂是指正硅酸四乙酯；
其中，该低熔点填料是指陶瓷粉；
其中，步骤一所述的低熔点填料，其熔点为600-800℃、粒度为325～425目；
其中，步骤一所述的硼粉，其粒度为200～300目；
其中，步骤一所述的硅粉，其粒度为200～325目；
其中，步骤一所述的炭纤维，其牌号是T500；
其中，步骤一所述的有机硅树脂和丙酮按一定比例混合，其体积比为2/1。
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