CN112555254A - 一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构 - Google Patents

一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构，方法是先制备陶瓷基复合材料铆钉，陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件和铆钉内件；然后将需要连接的第一、第二陶瓷基复合材料构件组合，第一、第二陶瓷基复合材料构件具有铆钉孔和沉头孔；再将铆钉外件装入第一、第二陶瓷基复合材料构件的铆钉孔；然后在铆钉外件的铆钉孔外圆柱面与第一、第二陶瓷基复合材料构件的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体；再将铆钉内件旋入铆钉外件；然后在铆钉内件与铆钉外件的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体；最后修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接；本发明可降低连接对构件表面形状的影响，同时提高了抗热失配和震动的能力，极大地提高了连接的强度和可靠性。

Description

一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构
技术领域
本发明属于材料连接技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构。
背景技术
陶瓷基复合材料因其耐高温和低密度的特点，成为一种关键热结构材料，在航空、航天和兵器等领域具有广阔的应用前景，当其应用于热端构件尤其是大型复杂薄壁构件时，关键技术之一便是连接技术。
陶瓷基复合材料的连接主要有粘结和紧固两种。粘结方法由于胶粘剂受耐温能力的限制，其高温使用性能无法满足要求，且是一种脆性连接，可靠性低，严重削弱了陶瓷基复合材料的高韧性和高可靠性的优势。紧固连接方法使用螺栓或铆钉进行连接，螺栓连接存在以下缺点：紧固件多为金属材料，无法适用高温环境的工况，且其连接容易因为热失配、震动等原因导致松动；螺栓改变了陶瓷基复合材料构件的表面形状。铆钉连接虽然基本未改变陶瓷基复合材料构件的表面形状，但铆钉难以形成可靠的墩头，而且铆钉与铆钉孔均为光滑表面，容易因为热失配、震动等原因导致铆钉脱出，连接的可靠性较差，无法满足陶瓷基复合材料构件长寿命的使用要求。申请号为201711257277.2的专利提出一种无头螺钉紧固连接并用先驱体转化法粘接的方法，但需要在待连接构件上加工内螺纹，加工难度大且破坏了构件的结构。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构，可降低连接对构件表面形状的影响，同时提高了抗热失配和震动的能力，极大地提高了连接的强度和可靠性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种陶瓷基复合材料的连接方法，包括以下步骤：
步骤一、制备陶瓷基复合材料铆钉：
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件1-2和铆钉内件1-1；所述的铆钉外件1-2主体是一个管状结构，管状结构一侧有头部，管孔为通孔，管状结构内部有内螺纹；所述的铆钉内件1-1主体为圆柱状结构，圆柱面上有外螺纹，牙型与铆钉外件1-2内螺纹啮合，圆柱状结构一侧有头部，头部的形状由待连接的第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3的厚度及连接要求决定；
步骤二、将需要连接的第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3组合，所述的第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3具有铆钉孔和沉头孔，铆钉孔与沉头孔在陶瓷基复合材料构件制备时在相应的位置预留，或通过配钻加工的方式获得；所述铆钉孔的内径为D0，所述沉头孔形状由陶瓷基复合材料铆钉的头部形状决定，沉头孔的深度h由材料性能和力学强度要求决定，h≥2mm；若第一陶瓷基复合材料构件2或第二陶瓷基复合材料构件3的构件厚度h1过小，即h1≤h，则省略对应陶瓷基复合材料构件铆钉孔，只保留锥形沉头孔；
步骤三、将铆钉外件1-2装入第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔；
步骤四、在铆钉外件1-2的铆钉孔外圆柱面与第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体4；填充方法采用先驱体转化法或化学气相渗透等；若因为铆钉外件1-2一侧对应的陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则跳过此步骤；
步骤五、将铆钉内件1-1旋入铆钉外件1-2；
步骤六、在铆钉内件1-1与铆钉外件1-2的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体4，填充方法采用先驱体转化法或化学气相渗透等；
步骤七、修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接。
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉外件1-2主体的管状结构，管状结构外径D1，D1满足：
D1＝D0-2a1
式中，a1为填充碳化硅基体所需要的厚度，D0为铆钉孔的内径；
所述的管状结构内部的内螺纹大径为D2，牙型角不小于45°；
所述的管状结构一侧的头部，根据不同的连接要求，头部有两种情况：
若铆钉外件1-2头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔未省略，则铆钉外件1-2头部采用圆柱体或锥体的形状；
若铆钉外件1-2头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则铆钉外件1-2头部采用锥体的形状。
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉内件1-1主体的圆柱状结构，圆柱面的外螺纹大径为D3，D3满足：
D3＝D2+2a2
式中，a2为填充碳化硅基体所需要的内外螺纹大径之差的1/2；
所述的圆柱状结构一侧的头部，根据不同的连接要求，头部有两种情况：
若铆钉内件1-1头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔未省略，则铆钉内件1-1头部采用圆柱体或锥体的形状；
若铆钉内件1-1头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则铆钉内件1-1头部采用圆台体的形状。
本发明的有益效果为：
采用沉头孔与新的铆钉结构，使连接对构件表面形状的影响降低到最小；铆钉内件和外件之间的螺纹啮合长度大，铆钉两端都有可靠的墩头，且采用了粘结与紧固相结合的方法，从而使得连接强度和可靠性大大提高，可以适应高温的工况。
附图说明
图1是本发明实施例1连接结构示意图。
图2是本发明实施例1铆钉外件装入构件间的示意图。
图3是本发明实施例1铆钉外件装入构件间并填充碳化硅基体示意图。
图4是本发明实施例1铆钉内件装入构件间的示意图。
图5是本发明实施例1铆钉内件装入构件间并填充碳化硅基体示意图。
图6是本发明实施例2连接结构示意图。
图7是本发明实施例3连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做详细描述。
参照图1～图5，实施例1，第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3的厚度均为5mm，陶瓷基复合材料铆钉采用头部形状为圆柱的形状；
一种陶瓷基复合材料的连接方法，包括以下步骤：
步骤一、制备陶瓷基复合材料铆钉：
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件1-2和铆钉内件1-1；所述的铆钉外件1-2主体是一个管状结构，一侧有头部，管孔为通孔，内部有内螺纹；所述的铆钉内件1-1主体为圆柱状，上有外螺纹，与铆钉外件1-2内螺纹啮合，圆柱主体一侧有头部；
步骤二、将需要连接的第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3组合，第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3具有铆钉孔和沉头孔；所述铆钉孔的内径为D0，D0取8.2mm；所述沉头孔为直径12mm，深2mm，第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3非接触面各一个；
步骤三、参照图2，将铆钉外件1-2按箭头a所示方向装入第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔；
步骤四、参照图3，在铆钉外件1-2的外圆柱面与第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体4，填充入口和填充方向如图2中箭头b表示，填充方法可采用先驱体转化法、化学气相渗透等；
步骤五、参照图4，将铆钉内件1-1按箭头c所示方向旋入铆钉外件1-2；
步骤六、参照图5，在铆钉内件1-1与铆钉外件1-2的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体4，填充入口和填充方向如图3中箭头d表示，填充方法可采用先驱体转化法、化学气相渗透等；
步骤七、修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接。
参照图1，所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉外件1-2主体的管状结构，管状结构外径D1，D1满足：
D1＝D0-2a1
式中，a1为填充碳化硅基体所需要的厚度，取0.1mm，D0为铆钉孔的内径；则D1为8mm；
所述的管状结构内部的内螺纹大径D2取4.2mm，牙型角取55°；
所述的管状结构一侧有圆柱形头部，直径12mm，深2mm。
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉内件1-1主体是的圆柱状结构，圆柱面的外螺纹大径为D3，D3满足：
D3＝D2+2a2
式中，a2为填充碳化硅基体所需要的内外螺纹大径之差的1/2，取0.1，则D3为4mm；
所述的圆柱状结构一侧有圆柱形头部，直径12mm，深2mm。
参照图6，实施例2，第一陶瓷基复合材料构件2的厚度为5mm，第二陶瓷基复合材料构件3的厚度为2mm，铆钉外件1-2与铆钉内件1-1头部形状分别为圆柱形和圆台形；
一种陶瓷基复合材料的连接方法，包括以下步骤：
步骤一、制备陶瓷基复合材料铆钉：
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件1-2和铆钉内件1-1；所述的铆钉外件1-2主体是一个管状结构，一侧有头部，管孔为通孔，内部有内螺纹；所述的铆钉内件1-1主体为圆柱状，上有外螺纹，可与铆钉外件内螺纹啮合，圆柱主体一侧有头部；
步骤二、将需要连接的第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3组合，并配钻加工铆钉孔和沉头孔；所述铆钉孔的内径为D0，D0取8.2mm；所述第一陶瓷基复合材料构件2上的沉头孔为圆柱形，直径10.2mm，深2mm，第二陶瓷基复合材料构件3上的沉头孔为锥形，直径10.2mm，锥角90°，深2mm；
步骤三、将铆钉外件1-2装入第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔。
步骤四、在铆钉外件1-2的外圆柱面与第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体4，填充方法可采用先驱体转化法、化学气相渗透等；
步骤五、将铆钉内件1-1旋入铆钉外件1-2；
步骤六、在铆钉内件1-1与铆钉外件1-2的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体4，填充方法可采用先驱体转化法、化学气相渗透等；
步骤七、修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接。
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉外件1-2主体的管状结构，管状结构外径D1，D1满足：
D1＝D0-2a1
式中，a1为填充碳化硅基体所需要的厚度，取0.1mm，则D1为8mm；
所述的管状结构内部的内螺纹大径D2取4.2mm，牙型角取55°；
所述的管状结构一侧有圆柱形头部，直径10.2mm，厚2mm。
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉内件1-1主体是的圆柱状结构，圆柱面的外螺纹大径为D3，D3满足：
D3＝D2+2a2
式中，a2为填充碳化硅基体所需要的内外螺纹大径之差的1/2，取0.1，则D3为4mm。
所述的圆柱状结构一侧有圆台形头部，下底圆直径10.2mm，锥角为90°，高2mm。
参照图7，实施例3，第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3的厚度均为2mm，铆钉外件1-2与铆钉内件1-1头部形状分别为锥形和圆台形；
一种陶瓷基复合材料的连接方法，包括以下步骤：
步骤一、制备陶瓷基复合材料铆钉：
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件1-2和铆钉内件1-1；所述的铆钉外件1-2主体是一个环状结构，环外侧为斜面，环内侧有内螺纹；所述的铆钉内件1-1主体为圆柱状，上有外螺纹，可与铆钉外件内螺纹啮合，圆柱主体一侧有头部；
步骤二、将需要连接的第一陶瓷基复合材料构件2和第二陶瓷基复合材料构件3组合，并配钻加工沉头孔；所述沉头孔为锥形，直径10mm，锥角为90°，第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3非接触面各一个；
步骤三、将铆钉外件1-2装入第一陶瓷基复合材料构件2、第二陶瓷基复合材料构件3的铆钉孔；
步骤四、将铆钉内件1-1旋入铆钉外件1-2；
步骤五、在铆钉内件1-1与铆钉外件1-2的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体4，填充方法可采用先驱体转化法、化学气相渗透等；
步骤六、修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接。
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件1-1和铆钉内件1-2。
所述的铆钉外件1-2主体是一个圆台结构，下底圆直径10mm，锥角为90°，高2mm，中心有螺纹通孔，大径D2取4.2mm，牙型角取55°；
所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉内件1-1主体是的圆柱状结构，圆柱面的外螺纹大径为D3，D3满足：
D3＝D2+2a2
式中，a2为填充碳化硅基体所需要的内外螺纹大径之差的1/2，取0.1，则D3为4mm；
所述的圆柱状结构一侧有圆台形头部，下底圆直径10mm，锥角为90°，高2mm。

Claims (5)

1.一种陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备陶瓷基复合材料铆钉：
所述的陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件(1-2)和铆钉内件(1-1)；所述的铆钉外件(1-2)主体是一个管状结构，管状结构一侧有头部，管孔为通孔，管状结构内部有内螺纹；所述的铆钉内件(1-1)主体为圆柱状结构，圆柱面上有外螺纹，牙型与铆钉外件(1-2)内螺纹啮合，圆柱状结构一侧有头部；
步骤二、将需要连接的第一陶瓷基复合材料构件(2)和第二陶瓷基复合材料构件(3)组合，所述的第一陶瓷基复合材料构件(2)、第二陶瓷基复合材料构件(3)具有铆钉孔和沉头孔，铆钉孔与沉头孔在陶瓷基复合材料构件制备时在相应的位置预留，或通过配钻加工的方式获得；铆钉孔的内径为D0，沉头孔的深度h由材料性能和力学强度要求决定，h≥2mm；若第一陶瓷基复合材料构件(2)或第二陶瓷基复合材料构件(3)的构件厚度h1过小，即h1≤h，则省略对应陶瓷基复合材料构件铆钉孔，只保留锥形沉头孔；
步骤三、将铆钉外件(1-2)装入第一陶瓷基复合材料构件(2)、第二陶瓷基复合材料构件(3)的铆钉孔；
步骤四、在铆钉外件(1-2)的铆钉孔外圆柱面与第一陶瓷基复合材料构件(2)、第二陶瓷基复合材料构件(3)的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体(4)；若因为铆钉外件(1-2)一侧对应的陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则跳过此步骤；
步骤五、将铆钉内件(1-1)旋入铆钉外件(1-2)；
步骤六、在铆钉内件(1-1)与铆钉外件(1-2)的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体(4)；
步骤七、修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的连接方法其特征在于：所述的步骤一中头部的形状由待连接的第一陶瓷基复合材料构件(2)和第二陶瓷基复合材料构件(3)的厚度及连接要求决定。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的连接方法其特征在于：所述的步骤四、步骤六中碳化硅基体(4)的填充方法采用先驱体转化法或化学气相渗透。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的连接方法使用的陶瓷基复合材料铆钉，其特征在于：所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉外件(1-2)主体的管状结构，管状结构外径D1，D1满足：
D1＝D0-2a1
式中，a1为填充碳化硅基体所需要的厚度，D0为铆钉孔的内径；
所述的管状结构内部的内螺纹大径为D2，牙型角不小于45°；
所述的管状结构一侧的头部，根据不同的连接要求，头部有两种情况：
若铆钉外件(1-2)头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔未省略，则铆钉外件(1-2)头部采用圆柱体或锥体的形状；
若铆钉外件(1-2)头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则铆钉外件(1-2)头部采用锥体的形状。
5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料铆钉，其特征在于：所述的陶瓷基复合材料铆钉的铆钉内件(1-1)主体的圆柱状结构，圆柱面的外螺纹大径为D3，D3满足：
D3＝D2+2a2
式中，a2为填充碳化硅基体所需要的内外螺纹大径之差的1/2；
所述的圆柱状结构一侧的头部，根据不同的连接要求，头部有两种情况：
若铆钉内件(1-1)头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔未省略，则铆钉内件(1-1)头部采用圆柱体或锥体的形状；
若铆钉内件(1-1)头部所在一侧陶瓷基复合材料构件铆钉孔省略，则铆钉内件(1-1)头部采用圆台体的形状。
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