CN109437958A - 一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料连接技术领域，具体公开了一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，包括以下步骤：步骤一：制备粘接剂；步骤二：加工连接环；步骤三：制作连接层；步骤四：抛光接合面；步骤五：连接碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞。本发明连接方法能够使得碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞稳定连接，且连接后的组件能够满足使用需求。

Description

一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法

技术领域

本发明属于复合材料连接技术领域，具体涉及一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法。

背景技术

碳化硅复合材料是一种新型材料，具有广泛的应用前景，相对于传统复合材料，具有抗高温，强度大，抗氧化好的优点，可用于各种功能材料和热结构。具体来讲，碳化硅复合材料高温下仍然能够保持强度，不易受各种物质侵蚀；在运行过程中，由于不吸氢，对热中子的吸收率也相对较低，能够大幅提高燃料的富集度从而提高燃料的使用寿命。而目前碳化硅材料的研制受到工艺的限制，很难直接实现大型管件的制造，因此常通过将小型管材进行连接，以达到使用需求。

现有的复合材料连接技术通常比较粗糙，大致包括钎焊、扩散和挤压几种方式。

钎焊是较为常见的连接方式，即采用钎料将不同材料连接，但是加入钎料容易导致焊点区域不均匀，出现损伤。同时钎焊温度低，高温下可能导致管材连接区域的断裂，无法保证其安全性。

扩散方式采用金属做夹层，均匀渗透，等待凝固后与母材连接。但是需要对碳化硅复合材料进行外观尺寸加工，极易导致材料结构损坏。

挤压方式要求材料具有良好的延展性，但是碳化硅材料延展性差，从而无法使用挤压方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，使得碳化硅复合材料管能够与碳化硅陶瓷端塞稳定连接。

本发明的技术方案如下：

一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，碳化硅陶瓷端塞为凸型塞头，与碳化硅复合材料管装配使用，包括以下步骤：

步骤一：制备粘接剂

将TiC粉末和Si粉按照质量比30:7的比例在混料机中混料得到混合粉；

制备体积分数为40～50％的酚醛树脂-乙醇溶液，将混合粉加入到酚醛树脂-乙醇溶液中，配制含量为10wt.％的浆料，然后超声分散得到粘接剂；

步骤二：加工连接环

将钛箔加工成环形，作为连接环，所述连接环的外径比碳化硅复合材料管的外径至少大1mm，内径与碳化硅复合材料管的内径相同；

步骤三：制作连接层

在连接环的两侧均匀涂刷粘接剂，干燥后制成连接层；

步骤四：抛光接合面

分别将碳化硅复合材料管和碳化硅陶瓷端塞的环形接合面抛光到Ra≤3.2；

步骤五：连接碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞

将连接环放到碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞的接合面之间，将碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞进行固定，并施加2～10MPa的压力；

将碳化硅复合材料管、连接环与碳化硅陶瓷端塞放到高温炉中，并向高温炉内通入氩气，加热到1600℃，保温保压2h，炉内保持压力小于1个大气压，然后随炉冷却；连接层在高温下发生化学反应，生成Ti₃SiC₂、TiC、Ti₅Si₄和Ti₅Si₃产物，并发生扩散反应，使碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞实现连接。

步骤三中，在连接环的两侧均匀涂刷粘接剂，然后在25℃环境下干燥2小时后重复涂刷粘接剂，并再次干燥2小时，制成连接层。

步骤一中，将TiC粉末和Si粉在混料机中以40r/min混料1小时后，得到混合粉。

步骤一中，将浆料在25℃下超声分散10分钟后，得到粘接剂。

步骤五中，炉内保压为5kPa。

步骤一中，所述的TiC粉末直径在10～50μm之间，纯度>99％；Si粉直径在10～20μm之间，纯度>99％。

步骤二中，所述的钛箔厚度在0.1～0.5mm之间，纯度>99％。

本发明的显著效果在于：

本发明连接方法能够使得碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞稳定连接，且连接后的组件能够满足使用需求。

附图说明

图1为连接结构示意图。

图中：1.碳化硅复合材料管；2.连接环；3.碳化硅陶瓷端塞。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，碳化硅陶瓷端塞3为凸型塞头，与碳化硅复合材料管1装配使用。连接方法包括以下步骤：

步骤一：制备粘接剂

将TiC粉末和Si粉按照质量比30:7的比例在混料机中以40r/min混料1小时，得到混合粉；

制备体积分数为40～50％的酚醛树脂-乙醇溶液，将混合粉加入到酚醛树脂-乙醇溶液中，配制含量为10wt.％的浆料，然后在25℃下超声分散10分钟，得到粘接剂；

所述的TiC粉末直径在10～50μm之间，纯度>99％；Si粉直径在10～20μm之间，纯度>99％。

步骤二：加工连接环2

将钛箔加工成环形，作为连接环2，所述连接环2的外径比碳化硅复合材料管1的外径至少大1mm，内径与碳化硅复合材料管1的内径相同；

所述的钛箔厚度在0.1～0.5mm之间，纯度>99％；

步骤三：制作连接层

在连接环2的两侧均匀涂刷粘接剂，然后在25℃环境下干燥2小时后重复涂刷粘接剂，并再次干燥2小时，制成连接层；

步骤四：抛光接合面

分别将碳化硅复合材料管1和碳化硅陶瓷端塞3的环形接合面抛光到Ra≤3.2；

步骤五：连接碳化硅复合材料管1与碳化硅陶瓷端塞3

将连接环2放到碳化硅复合材料管1与碳化硅陶瓷端塞3的接合面之间，将碳化硅复合材料管1与碳化硅陶瓷端塞3进行固定，并施加2～10MPa的压力；

将碳化硅复合材料管1、连接环2与碳化硅陶瓷端塞3放到高温炉中，并向高温炉内通入氩气，加热到1600℃，保温保压2h，炉内保持压力小于1个大气压，例如5kPa，然后随炉冷却；连接层在高温下发生化学反应，生成Ti₃SiC₂、TiC、Ti₅Si₄和Ti₅Si₃产物，并发生扩散反应，使碳化硅复合材料管1与碳化硅陶瓷端塞3实现连接，如图1所示。

实施例

碳化硅复合材料管1的内径为8mm，外径为10mm；碳化硅陶瓷端塞3为凸型塞头，内径为8mm，外径为10mm，与碳化硅复合材料管1装配使用。制作的连接环2内径为8mm，外径为14mm，厚度为0.2mm。

Claims (7)

1.一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，碳化硅陶瓷端塞(3)为凸型塞头，与碳化硅复合材料管(1)装配使用，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：制备粘接剂

将TiC粉末和Si粉按照质量比30:7的比例在混料机中混料得到混合粉；

制备体积分数为40～50％的酚醛树脂-乙醇溶液，将混合粉加入到酚醛树脂-乙醇溶液中，配制含量为10wt.％的浆料，然后超声分散得到粘接剂；

步骤二：加工连接环(2)

将钛箔加工成环形，作为连接环(2)，所述连接环(2)的外径比碳化硅复合材料管(1)的外径至少大1mm，内径与碳化硅复合材料管(1)的内径相同；

步骤三：制作连接层

在连接环(2)的两侧均匀涂刷粘接剂，干燥后制成连接层；

步骤四：抛光接合面

分别将碳化硅复合材料管(1)和碳化硅陶瓷端塞(3)的环形接合面抛光到Ra≤3.2；

步骤五：连接碳化硅复合材料管(1)与碳化硅陶瓷端塞(3)

将连接环(2)放到碳化硅复合材料管(1)与碳化硅陶瓷端塞(3)的接合面之间，将碳化硅复合材料管(1)与碳化硅陶瓷端塞(3)进行固定，并施加2～10MPa的压力；

将碳化硅复合材料管(1)、连接环(2)与碳化硅陶瓷端塞(3)放到高温炉中，并向高温炉内通入氩气，加热到1600℃，保温保压2h，炉内保持压力小于1个大气压，然后随炉冷却；连接层在高温下发生化学反应，生成Ti₃SiC₂、TiC、Ti₅Si₄和Ti₅Si₃产物，并发生扩散反应，使碳化硅复合材料管(1)与碳化硅陶瓷端塞(3)实现连接。

2.如权利要求1所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤三中，在连接环(2)的两侧均匀涂刷粘接剂，然后在25℃环境下干燥2小时后重复涂刷粘接剂，并再次干燥2小时，制成连接层。

3.如权利要求2所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤一中，将TiC粉末和Si粉在混料机中以40r/min混料1小时后，得到混合粉。

4.如权利要求3所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤一中，将浆料在25℃下超声分散10分钟后，得到粘接剂。

5.如权利要求4所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤五中，炉内保压为5kPa。

6.如权利要求5所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤一中，所述的TiC粉末直径在10～50μm之间，纯度>99％；Si粉直径在10～20μm之间，纯度>99％。

7.如权利要求6所述的一种碳化硅复合材料管与碳化硅陶瓷端塞连接方法，其特征在于：步骤二中，所述的钛箔厚度在0.1～0.5mm之间，纯度>99％。