CN101671530A - 一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，该方法有三大步骤：一、炭基复合材料的表面处理，用刚玉粗砂纸在粘接面上打磨出规则的细槽，再将试样浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗30分钟，最后在80℃的环境下干燥4小时；二、粘接剂的制备；粘接剂由20～30wt.％(质量百分比)的有机硅树脂，40～50wt.％的低熔点填料，30～35wt.％的铝粉和0～0.5wt.％的炭纤维混合而成；三、粘接固化及高温热处理工艺，将粘接好的炭基复合材料放入高真空加热炉内使其在真空环境下260℃固化2小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。实践证明：经本发明粘接后的炭基复合材料具有很好的剪切强度、抗老化性能和耐热疲劳性能，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

一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法

(一)技术领域

本发明涉及一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，所述低温为-40～300℃，属于炭基复合材料技术领域。

(二)背景技术

随着航天和航空等尖端技术的发展，对材料的性能要求越来越高。先进复合材料主要指具有高强度、高模量、耐高温和低比重特性的纤维增强复合材料，这种复合材料可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过合金。高性能复合材料是国防高技术发展的基础，是新一代武器装备发展的基础，也是军用和民用飞机发展的基础。然而随着服役时间的增加，复合材料部件不可避免地产生局部损伤和微裂纹。如果这些损伤部位得不到及时的修复，不仅很大程度上影响到结构件的正常使用性能，缩短其使用寿命，而且可能由此引发宏观裂缝引发断裂，造成重大事故，而对其进行更换、再生产无疑会造成资源的巨大浪费。因此，发展可恢复其结构完整性的修复方法显得十分重要。

与传统的连接工艺，如机械连接、焊接相比，粘接具有增重小，应力分布相对均匀，能够粘接异质材料等特点。粘接技术的核心是研制出具有很强的粘接性能，耐老化性能和一定耐高温，耐热震性能的粘接剂。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，所述低温为-40～300℃。用该技术粘接后的炭基复合材料在室温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280℃下进行150次热循环后，能保持一定的强度，在63℃下老化介质浸泡120小时后，表现出较小的增重率。

2、技术方案：本发明一种炭基复合材料用低温(-40～300℃)粘接剂的制备方法，其特点是包括以下三部分工艺：炭基复合材料的表面处理、粘接剂的制备和粘接固化及高温热处理工艺。

本发明一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，该低温粘接剂是指在-40～300℃情况下使用的粘接剂，其制备方法的具体步骤如下：

步骤一：炭基复合材料的表面处理

粘接面的表面处理按照以下程序进行：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；然后将试样浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗30分钟，最后在80℃的环境下干燥4小时；

步骤二：粘接剂的制备

粘接剂由20～30wt.％(质量百分数)的有机硅树脂，40～50wt.％的低熔点填料，30～35wt.％的铝粉和0～0.5wt.％的炭纤维混合而成，其制备步骤如图2所示。将低熔点填料、铝粉混合均匀，在140℃下干燥2小时，然后研磨1小时，过筛制得固体混合物后与炭纤维均匀混合，得到固体混合物；将有机硅树脂与溶剂混合后，加入偶联剂，在80℃水浴加热1小时制成液态混合物；将固体混合物和液态混合物混合、搅拌均匀，得到粘接剂。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。

步骤三：粘接固化及高温热处理工艺

将已配制好的粘接剂均匀地涂覆在粘接面上，再将它与炭纤维增强的炭基复合材料粘接在一起，最后将其放入高真空加热炉内使其在真空环境下260℃固化2小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。

其中，步骤二中所述的有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准，而铝粉是分析纯标准。

其中，步骤二中所述的有机硅树脂是正硅酸四乙酯等。

其中，步骤二中所述的低熔点填料是陶瓷粉等。

其中，步骤二中所述的低熔点填料的熔点为445℃、粒度为200～300目。

其中，步骤二中所述的铝粉的粒度为200～325目。

其中，步骤二中所述的炭纤维的牌号是T800。

其中，步骤二中所述的溶剂是丙酮。

其中，步骤二中所述的偶联剂是硅烷偶联剂。

其中，步骤三中所述的真空环境的真空度为-0.1MPa。

3、优点及功效：本发明一种炭基复合材料用低温(-40～300℃)粘接剂的制备方法，其优点及其功效在于：制备成本较低，粘接强度高，较高的耐热疲劳性能和耐老化性能，材料在280℃下进行150次热循环后，它能保持一定的强度，材料在63℃下老化介质浸泡120小时后，表现出较小的增重率。

(1)本发明粘接后的炭基复合材料在室温具有很大的剪切强度，剪切测试后表现为基体断裂机制，如图3所示。

(2)本发明后粘接后的炭纤维增强炭基复合材料在280℃下进行40次热循环后粘接强度仍有90％的保持率，为33MPa左右，热循环对试样的粘接性能的影响甚微。而随着热循环次数的增加，粘接强度减少的趋势明显，试样在280℃热循环150次时，其强度仍大于4MPa，此时粘接层并没有完全失效。因此该粘接剂具有较好的耐热疲劳性能，如图4所示。

(3)本发明后粘接后的炭纤维增强的炭基复合材料具有较强的抗老化性能：在63℃的空气中静置120h后，增重率为0.16％；在63℃的纯水中浸泡120h后，增重率为1.27％；在63℃的0.1g/mL盐溶液中浸泡120h后，增重率为1.25％；而在63℃的航空煤油中浸泡120h后，增重率为0.73％。如图5所示。

(四)附图说明

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图

图3.最佳试样经层剪测试后的开裂情况

图4.粘接强度与热循环次数的关系曲线

图5.不同潮湿性环境下修复试样、T300/BMP-316复合材料以及粘接剂的增重率

图6.所示为剪切性能测试的示意图(a)为垂直方向剪切性能测试示意图；(b)为平行方向剪切性能测试示意图。

图中符号说明如下：

τ为剪切强度，单位为兆帕(MPa)；

T300/BMP-316为炭纤维增强炭基复合材料；

ΔW％为增重百分率。

单位说明：

℃    摄氏度

MPa   兆帕

wt.％ 质量百分数

h     小时

(五)具体实施方式

本发明一种炭基复合材料用低温(-40～300℃)粘接剂的制备方法，该方法具体实施步骤如下：

步骤一：炭基复合材料的表面处理

粘接面的表面处理按照以下程序进行：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。然后将试样浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗30分钟，最后在80℃的环境下干燥4小时。

步骤二：粘接剂的制备

粘接剂由22wt.％的有机硅树脂正硅酸四乙酯，45wt.％的250目低熔点填料陶瓷粉，32.7wt.％的275目铝粉和0.3wt.％的炭纤维混合而成，其制备步骤如图2所示。将低熔点填料陶瓷粉、铝粉混合均匀，在140℃下干燥2小时，然后研磨1小时，过筛制得固体混合物后与炭纤维均匀混合，得到固体混合物；将有机硅树脂正硅酸四乙酯与丙酮混合后，加入硅烷偶联剂，在80℃水浴加热1小时制成液态混合物；将固体混合物和液态混合物混合、搅拌均匀，得到粘接剂。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。

步骤三：粘接固化及高温热处理工艺

将事先准备好的粘接剂均匀地涂覆在粘接面上，再将炭纤维增强的炭基复合材料粘接在一起，最后将其放入高真空加热炉内使其在真空环境下260℃固化2小时，在固化期间给材料施加2.5MPa。

性能评价方法

本发明对粘接后的炭纤维增强的炭基复合材料的性能评价方法如下：

粘接性能测试

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。

耐热疲劳性能测试

热疲劳试验按照日本工业标准JISH8666-1990执行：试样在空气中加热30秒达到280℃，而后随风冷却至室温，重复至试样发生剥离为止，记录过程中粘接试样的剩余强度及剥离时的循环次数。

湿热老化性能测试

将试样在真空烘箱中干燥至恒重，然后分组浸没在典型恒温介质中：63℃的潮湿空气、蒸馏水、人工海水和航空煤油，将经过湿热老化的试样置于70℃的真空烘箱中进行脱湿，用电子天平称重跟踪不同老化时间后试样的增重。称量所用精密天平感量为0.1mg，增重百分率(ΔW％)按照下式计算：

$\mathrm{\ΔW}\%=M_t=\frac{W_t-W_0}{W_0}\×100\%$

其中，W₀和W_t分别是试样老化前后的质量，M_t为t时刻试样的吸湿质量。

经上述实验证明：本发明粘接后的炭基复合材料具有很大的剪切强度、较强的抗老化性能和较好的耐热疲劳性能，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。

Claims (10)

1、一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：该低温粘接剂是指在-40～300℃情况下使用的粘接剂，其制备方法的具体步骤如下：

步骤一：炭基复合材料的表面处理

粘接面的表面处理按照以下程序进行：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；然后将试样浸入无水乙醇内用超声波清洗机清洗30分钟，最后在80℃的环境下干燥4小时；

步骤二：粘接剂的制备

粘接剂由20～30wt.％的有机硅树脂，40～50wt.％的低熔点填料，30～35wt.％的铝粉和0～0.5wt.％的炭纤维混合而成，其制备顺序是：将低熔点填料、铝粉混合均匀，在140℃下干燥2小时，然后研磨1小时，过筛制得固体混合物后与炭纤维均匀混合，得到固体混合物；将有机硅树脂与溶剂混合后，加入偶联剂，在80℃水浴加热1小时制成液态混合物；将固体混合物和液态混合物混合、搅拌均匀，得到粘接剂；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；

步骤三：粘接固化及高温热处理工艺

将已配制好的粘接剂均匀地涂覆在粘接面上，再将它与炭纤维增强的炭基复合材料粘接在一起，最后将其放入高真空加热炉内使其在真空环境下260℃固化2小时，在固化期间给材料施加2.5MPa的压力。

2、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的有机硅树脂、低熔点填料和炭纤维是工业标准，而铝粉是分析纯标准。

3、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的低熔点填料的熔点为445℃、粒度为200～300目。

4、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的铝粉的粒度为200～325目。

5、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的炭纤维的牌号是T800。

6、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的溶剂是丙酮。

7、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的有机硅树脂是指正硅酸四乙酯。

8、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的低熔点填料是指陶瓷粉。

9、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的偶联剂是硅烷偶联剂。

10、根据权利要求1所述的一种炭基复合材料用低温粘接剂的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的真空环境的真空度为-0.1MPa。

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