CN111217618B - 一种超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料。关键是修补材料的组分构成按重量百分比计是：30～40％的酚醛树脂液、20～25％的炭毡粉、10～20％的炭纤维粉、5～10％的炭黑粉、5～10％的短炭纤维、8～12％的硅粉和5～10％的铝粉。本发明与大型复杂结构的炭/炭材料构件有极佳的适配性，与炭/炭材料构件形成一个结合极佳的过渡层，大幅提高了两者之间的结合强度。

Description

一种超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料
技术领域：
本发明涉及一种炭/炭复合材料领域，具体是指一种对超高温(＞2200℃)大型复杂炭/炭材料构件的修补材料。
背景技术：
炭/炭复合材料是目前最先进的高温结构/功能复合材料，具有比重轻，耐高温，高强，抗烧蚀等优异的高温下的力学性能和物理性能，在宇航领域得到广泛的应用，但仅局限于中高温度、形状简单的小型构件。
随着航空航天技术的发展，迫切需要超高温(＞2200℃)、结构形状复杂和大型的炭/炭构件，例如，未来新型战略导弹要求炭/炭构件要满足超高温(＞2200℃)使用条件，同时，空间技术的发展需要大型，超稳定的炭/炭构件。随着工程技术的发展，冶金、机械、化工等民用领域对炭/炭复合材料也有迫切的需求，特别是对大型复杂异型构件的需求更为迫切，如超大型气相沉积炉，需要大型限气筒(1200mm*1650mm*5-8mm)，这种大型复杂异型整体的构件用炭/炭复合材料现有的生产工艺如预制体-CVD法是难以实现的。由于工艺和设备的限制，要制备此类大型复杂异形炭/炭构件必须采用分体制作，整体组装的制备方法，同时由于构件的大型尺寸，决定了在制备出的大型复杂异形炭/炭构件不可避免地存在缺陷。因此，如何克服大型复杂异形结构的炭/炭复合材料构件可能存在的各种缺陷、提供更完善和高质量的大型复杂异形炭/炭材料的构件是一个急待解决的问题。
发明内容：
本发明的发明目的是公开一种对炭/炭复合材料构件进行修补和增强的修补材料。
实现本发明的技术解决方案是：修补材料的组分构成按重量百分比计是：
Figure BSA0000201081070000021
所述的修补材料的组分构成按重量百分比计进一步为：
Figure BSA0000201081070000022
所述的修补材料的组分中加入10～15％的100～300mm的长炭纤维。
所述的炭毡粉的粒度为40目，炭纤维粉的粒度为300目，炭黑粉的粒度为500目，硅粉的粒度为325目，铝粉的粒度为1600目。
所述的超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料的制备方法是：在酚醛树脂液中依次加入炭毡粉、炭纤维粉、炭黑粉、短炭纤维、硅粉和铝粉，每加入一种组分搅拌均匀后再加入下一种组分；再搅拌10～25分钟后，放入球磨机中，碾磨20～40分钟，放入密闭容器中，静置12～24小时得所述的修补材料。
所述的超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料的制备方法是：在酚醛树脂液中依次加入炭毡粉、炭纤维粉、炭黑粉、短炭纤维、硅粉和铝粉，每加入一种组分搅拌均匀后再加入下一种组分；再搅拌10～25分钟后，放入球磨机中，碾磨20～40分钟后，加入长炭纤维搅拌均匀，放入密闭容器中，静置12～24小时得所述的修补材料。
本发明的公开的上述技术方案的修补材料与大型复杂结构的炭/炭材料构件有极佳的适配性，特别是修补材料高温烧制后的密度与炭/炭材料构件的密度非常接近，减少了热应力的产生，并且所述的修补材料可渗透入炭/炭材料构件的一定深度的内部，与炭/炭材料构件形成一个结合极佳的过渡层，大幅提高了两者之间的结合强度。上述的修补材料中含有特定上述的长炭纤维，其使修补材料的自身强度大幅增加而使炭/炭材料构件的被修改处的强度得到进一步的增强，最终不仅修补了炭/炭材料构件的缺陷，还提高了炭/炭材料构件的强度。
具体实施方式：
下面详细给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明的具体实施方式的描述是为便于对本发明的技术内容的全面理解，而不应视为是对本发明的权利要求保护范围的限制。
实现本发明的修补材料的具体实施例的技术解决方案是：所述的修补材料的组分构成按重量百分比计是：30～40％的酚醛树脂液、20～25％的炭毡粉、10～20％的炭纤维粉、5～10％的炭黑粉、5～10％的短炭纤维、8～12％的硅粉和5～10％的铝粉。上述给出的修补材料为一种多组分的混合物，由于上述的修补材料是用于高温烧制的炭/炭材料构件进行修补，例如炭/炭材料构件在高温烧制后存在孔洞、凹坑、疏松、沟槽、甚至有局部分层等现象，利用修补材料对上述的缺陷进行填充、压力注入或/和表面覆盖，之后再经高温处理，使修补材料和炭/炭材料构件牢固连接为一体。上述的炭/炭材料构件已在高温下烧制，其是一种具有一定孔隙的复杂异型结构的炭/炭复合材料，为使修补材料与炭/炭复合材料达到最佳的配合，经过反复的试验与检测，修补材料内具有多种炭材料以使修补材料在高温处理后形成的炭/炭材料与被修补的炭/炭材料构件达到最佳的结晶物或/和界面的结合，同时修补材料中的硅粉和铝粉使高温处理时修补材料内发生更为复杂的化学反应，生成部分的碳化硅和金属陶瓷成分，这进一步提高了修补材料的结构强度，还有一点是修补材料的配比也是反复试验而得的，上述的配比使高温烧制后修补材料的密度与被修补的炭/炭材料构件的密度比较接近，这会使炭/炭材料构件在高温环境使用时产生的因热胀冷缩系数的不同而产生的热应力最小，对使用寿命有益处。
为进一步提高上述修补材料的性能，所述的修补材料的组分构成按重量百分比计是：35～36％的酚醛树脂液、10～15％的炭毡粉、15～16％的炭纤维粉、7～8％的炭黑粉、6～8％的短炭纤维、8～10％的硅粉和7～8％的铝粉。上述的组分构成的修补材料使高温烧制后的修补材料的结构强度提高，热胀冷缩系数与炭/炭材料构件的热胀冷缩系数更为接近，减少了使用时的热应力并与炭/炭材料构件的结合力更强，上述的修补材料特别适合对炭/炭材料构件的分层、孔洞、凹坑等缺陷进行修补。
为更进一步提高上述修补材料的性能，所述的修补材料的组分中加入10～15％的100～300mm的长炭纤维，具有长炭纤维的修补材料在高温烧制后具有更佳的力学性能，特别是具有更佳的抗拉伸性能，其对炭/炭材料构件出现的沟槽、裂纹或分层等缺陷具有更好的修补效果，并且前述的不具有长炭纤维的修补材料的表面再涂覆一层上述的具有长炭纤维的修补材料，在高温处理后，使修补材料的效果进一步提高。
对于炭/炭复合材料其密度是一个材料性能的重要指标，对上述的修补材料而言，尽可能提高其密度也很重要，因此前述的修补材料中的炭毡粉的粒度为40目，炭纤维粉的粒度为300目，炭黑粉的粒度为500目，硅粉的粒度为325目，铝粉的粒度为1600目。上述的各粉状的组分的粒度使混合物的修补材料在高温处理前达到最佳的粒子之间的嵌合配合，这不仅使密度更大，对高温处理过程的材料的结晶结构也有益处，使结晶结构达到更致密的状态。
前面已介绍了本发明的修补材料的构成，上述的不具有长炭纤维的修补材料的制备方法是：在酚醛树脂液中依次加入炭毡粉、炭纤维粉、炭黑粉、短炭纤维、硅粉和铝粉，每加入一种组分搅拌均匀后再加入下一种组分；再搅拌10～25分钟后，放入球磨机中，碾磨20～40分钟，放入密闭容器中，静置12～24小时得所述的修补材料。上述的制备步骤可使修补材料达到前述的极佳的混合状态，最终的静置可使酚醛树脂液与各组分相互之间的渗透，有利于酚醛树脂液在高温处理时的炭化过程与各组分的反应与结晶。上述的具有长炭纤维的修补材料的制备方法是：在酚醛树脂液中依次加入炭毡粉、炭纤维粉、炭黑粉、短炭纤维、硅粉和铝粉，每加入一种组分搅拌均匀后再加入下一种组分；再搅拌10～25分钟后，放入球磨机中，碾磨20～40分钟后，加入长炭纤维搅拌均匀，放入密闭容器中，静置12～24小时得所述的修补材料；在多组分混合并经球磨机碾磨后再加入长炭纤维而避免在球磨过程中破坏长炭纤维而影响修补材料的抗拉伸性能。
上述的修补材料在将前述的大型复杂异型炭/炭材料构件的缺陷部位通过充填、压入注入或表面覆盖，然后将构件放入加压炉中加压定向固化，固化温度为150～200℃，加压到1.5～2.4Mpa，保温保压1～2小时，然后置入高温炉，在1500～2000℃下保温1.5～3小时，上述的修补材料与炭/炭材料构件牢固结合为一体而完成修补工作。

Claims (3)

1.一种超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料，其特征在于修补材料的组分构成按重量百分比计是：
Figure FSB0000198491390000011
以上各组分的重量百分比之和为百分之百。
2.按权利要求1所述的超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料，其特征在于所述的炭毡粉的粒度为40目，炭纤维粉的粒度为300目，炭黑粉的粒度为500目，硅粉的粒度为325目，铝粉的粒度为1600目。
3.按权利要求1或2所述的超高温大型复杂炭/炭材料构件的修补材料，其特征在于在酚醛树脂液中依次加入炭毡粉、炭纤维粉、炭黑粉、短炭纤维、硅粉和铝粉，每加入一种组分搅拌均匀后再加入下一种组分；再搅拌10～25分钟后，放入球磨机中，碾磨20～40分钟后，加入长炭纤维搅拌均匀，放入密闭容器中，静置12～24小时得所述的修补材料。
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