CN113334271B

CN113334271B - 一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具

Info

Publication number: CN113334271B
Application number: CN202110570008.1A
Authority: CN
Inventors: 廖春景; 董绍明; 张翔宇; 杨金山; 高乐; 陈小武; 魏俊国; 徐兵
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113334271A

Abstract

本发明提供一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，是在纤维束的表面进行界面相制备及基体致密化处理时对纤维束进行固定的工装夹具，包括一对底座、一对螺杆和多个螺母；底座上设置有通过在底面上沿长度方向开设第一凹槽而形成的安装部和通过在底面上沿宽度方向开设第二凹槽而形成的缠绕部，第二凹槽的深度在第一凹槽以下；在第一凹槽与第二凹槽重叠的区域上开设有用于通过气流的通气孔，安装部在通气孔的两侧形成有对称分布的一对贯通孔；一对螺杆以分别插通一对底座上的一对贯通孔，且在一对贯通孔的两侧通过螺母进行紧固的形式设置；纤维束缠绕于一对底座的缠绕部的外周缘上。

Description

一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料作为一种新型的材料，自从上世纪80年代以来，以其优异的性能受到了各国学者的关注，特别是进入21世纪以来，该材料所具备的低密度、耐高温、抗蠕变、抗氧化、高强度、高韧性、耐化学侵蚀、非灾难性破坏等特征，使其在航天、航空、核能等领域进行了广泛的应用。在航空领域，以SiC纤维增强SiC复合材料（SiC/SiC）为例，其已成为取代高温合金应用于航空发动机热端结构部件的最为理想高温材料，并且采用SiC/SiC复合材料已经成功应用于涡轮叶片、涡轮外环及尾喷管调节片等热端部件。

作为一种新型的高温结构材料，应用的前提是必须使材料性能满足构建在服役环境对于性能的使用要求，纤维增强陶瓷基复合材料从最初始的纤维预制体到最后的构件，其需要经过预制体成型、界面相制备、基体相致密化、材料加工等四个过程，其耗费时间过长，一个构件的完成往往需要一到两个月，在对材料性能进行筛选的过程中，如果还按照上述步骤进行，效率太低。作为一种微小版的陶瓷基复合材料，单束纤维增强陶瓷基复合材料虽然其和真实的材料性能有些许差异，但是其能真实的反映纤维表面界面相性能的好坏，而界面相对整个构件性能的好坏起决定作用，另外单束纤维增强陶瓷基复合材料不需要经过预制体成型和材料加工两个阶段，所需基体相致密化时间也大大缩短，材料制备周期大大缩短，因此在材料实际性能测试与评价过程中，把材料制备成单束纤维增强陶瓷基复合材料再进行考核成为一种便捷高效的方法，可迅速提高材料制备和筛选速率。

然而，现有工艺在制备单束纤维增强陶瓷基复合材料时，在平板上缠绕纤维束进行沉积时需要加装固定支撑装置，结构较为复杂且难以保证界面相和基体相在纤维束内部有效沉积。

发明内容

发明要解决的问题：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单可靠，能改善界面相和基体相的沉积效果的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，是在纤维束的表面进行界面相制备及基体致密化处理时对纤维束进行固定的工装夹具，包括一对底座、一对螺杆和多个螺母；所述底座上设置有通过在底面上沿长度方向开设第一凹槽而形成的安装部和通过在底面上沿宽度方向开设第二凹槽而形成的缠绕部，所述第二凹槽的深度在所述第一凹槽以下；在所述第一凹槽与所述第二凹槽重叠的区域上开设有用于通过气流的通气孔，所述安装部在所述通气孔的两侧形成有对称分布的一对贯通孔；一对所述螺杆以分别插通一对所述底座上的一对所述贯通孔，且在一对所述贯通孔的两侧通过所述螺母进行紧固的形式设置；所述纤维束缠绕于一对所述底座的所述缠绕部的外周缘上。

也可以是，本发明中，所述底座的顶面、底面、所述第一凹槽的槽面以及所述第二凹槽的槽面彼此互相平行；一对所述底座以彼此的顶面平行的形式相向设置。由此能确保两个底座之间距离一致，避免纤维束缠绕过程中长短不一。

也可以是，本发明中，所述贯通孔覆盖所述第一凹槽与所述第二凹槽的整个重叠区域。由此，能最大程度地确保气流在纤维束周围均匀通过，能提高材料制备效率及材料性能可靠度。

也可以是，本发明中，所述缠绕部的外周缘设置有倒角，所述倒角的半径为1-10mm。由此能防止纤维束在缠绕在底座的缠绕部上时发生断裂。

也可以是，本发明中，在将所述纤维束缠绕在所述工装夹具的所述缠绕部上后，放入炉内进行界面相沉积，在界面相沉积完成后取下所述纤维束，根据基体相沉积特性调节所述工装夹具的尺寸，重新缠绕所述纤维束至所述缠绕部进行基体相沉积；所述工装夹具的尺寸和所述纤维束的松紧度通过调节所述底座两端的所述螺母进行调节。

也可以是，本发明中，所述界面相是PyC、BN、SiBN、SiBCN、（PyC/SiC）n多层界面、（BN/SiC）n多层界面、（BN/Si3N4）n多层界面或（SiBN/Si3N4）n多层界面；所述基体是SiC、BN、Si3N4、SiBN、SiBCN、HfC或ZrC。

也可以是，本发明中，所述纤维束是SiC纤维束、碳纤维束、石墨纤维束或BN纤维束。

也可以是，本发明中，所述螺杆是纯螺纹杆或中间为圆杆两端为螺纹的长杆；所述螺母是圆螺母、六角螺母或方螺母，其外径大于所述贯通孔的直径且小于所述第一凹槽的宽度。由此，工装夹具能够自行稳定固定在炉内，无需额外结构对夹具进行支撑，降低了结构复杂性。

也可以是，本发明中，所述螺杆和所述螺母由普通石墨、电极石墨、细颗粒石墨、中粗石墨和高纯石墨制成；所述螺杆的螺纹直径为M4-M30；所述螺母的公称直径为M4-M30。

也可以是，本发明中，所述螺母的厚度在所述第一凹槽的深度以下；一对所述螺杆以一端不超出一对所述底座的底面的形式设置。

发明效果：

本发明结构简单、可重复使用，能改善纤维束的界面相和基体相沉积效果，能提高材料制备效率及材料性能可靠度。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具的结构示意图，（a）是底座的仰视图，（b）是缠绕有纤维束的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具的仰视图；

图2是图1中（b）示出的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具的A-A向示意图；

图3是图1中（b）示出的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具的B-B向示意图；

图4是根据本发明一实施形态的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具制备得到的纤维束（单束 SiC/SiC复合材料）的实物示意图；

符号说明：

1、底座；1a、顶面；1b、底面；2、螺杆；3、螺母；4、纤维束；11、安装部；11’、第一凹槽；11a、贯通孔；12、缠绕部；12’、第二凹槽；12a、外周缘；13、通气孔；14、凸台。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种结构简单可靠，能改善界面相和基体相的沉积效果的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具。图1是根据本发明一实施形态的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具（以下简称“工装夹具”）的结构示意图，（a）是底座1的仰视图，（b）是缠绕有纤维束4的工装夹具的仰视图。图2是图1中（b）示出的工装夹具的A-A向示意图。

本发明的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具是是在纤维束的表面进行界面相制备及基体致密化处理时对纤维束进行固定的工装夹具，包括一对底座1、一对螺杆2和多个螺母3。

如图1中（a）、图2所示，底座1为石墨材质，可为普通石墨、高纯石墨、中粗石墨、电极石墨等，形成为大致长方体状，长宽比可以根据需要进行设置，其顶面1a和底面1b平坦且互相平行。本实施形态中，在底座1上形成有用于安装螺栓2的安装部11和用于缠绕纤维束4的缠绕部12。

安装部11通过在底座1的底面1b上沿长度方向开设第一凹槽11’而形成。缠绕部12通过在底座1的底面1b上沿宽度方向开设第二凹槽12’而形成，该第二凹槽12’的深度在上述第一凹槽11’的深度以下，宽度可以根据缠绕纤维束的需求进行设定。该第一凹槽11’的槽面用于设置螺母3，该第二凹槽12’的槽面用于缠绕纤维束4，因此两槽面理想是平坦且与底座1的顶面1a和底面1b平行。

又如图1中（b）和图2所示，为了避免纤维束4在缠绕过程中发生折弯和断裂，本实施形态中沿缠绕部12的外周缘12a设置有倒角，该倒角的半径可以是1-10mm，优选为4-8mm。通过设置缠绕部12并在该缠绕部12上形成倒角，能够有效地防止纤维束在缠绕在底座的缠绕部上时发生断裂。

本实施形态中，底座1在相互正交的第一凹槽11’和第二凹槽12’的重叠区域上开设有通气孔13，该通气孔13是形成于底座1中心的方形孔，主要用于保证气流通过，减缓气流少对底座1内侧纤维束的沉积影响。本实施形态中，理想是通气孔13覆盖第一凹槽11’和第二凹槽12’的整个重叠区域，换言之理想是通气孔13尽可能大地形成，由此能最大程度地确保最大量的气流能够从通气孔13中通过，最大程度减缓气流少对底座1内侧的纤维束4的沉积影响。另外，安装部11在通气孔13的两侧形成有一对对称分布的贯通孔11a，该贯通孔11a用于安装螺杆2。通过在底座1上设置通气孔13，气流可在纤维束周围均匀通过，能提高材料制备效率及材料性能可靠度。

像这样，通过在底面1b上开设彼此正交的第一凹槽11’和第二凹槽12’，由此在底座1的底部形成了沿通气孔13和贯通孔11a的中心线对称分布的四个凸台14，且该四个凸台14的高度一致，这些凸台14相当于在将工装夹具放置于炉内时对工装夹具进行支撑的支撑部，可将工装夹具平稳放置于炉腔内部。

又如图1中（b）和图2所示，通过在螺杆2的两侧旋入螺母3来将螺杆2设置在底座1上。螺杆2是可以是纯螺纹杆或中间为圆杆两端为螺纹的长杆，其直径小于贯通孔11a的直径。螺母3可以是圆螺母、六角螺母或方螺母，其外径大于贯通孔11a的直径且小于上述第一凹槽11’的宽度，由此在利用螺母3固定螺杆2时能够允许其自由活动。。螺杆2和螺母3的尺寸规格可以根据贯通孔11a的直径、炉内的空间大小和纤维束的制备需求适当选择，例如，螺杆2的螺纹直径和螺母3的公称直径可以是M4-M30规格，优选为M8-M12规格。该螺杆2和螺母3可以由普通石墨、电极石墨、细颗粒石墨、中粗石墨和高纯石墨制成。

图3是图1中（b）所示工装夹具的B-B向示意图。如图3所示，本发明中，工装夹具的一对底座1以顶面1a相向且平行的形式设置。两螺杆2分别插通两底座1的贯通孔11a，贯通孔11a的直径略微大于螺杆2的直径，从而使螺杆2保持一定的活动余量。在底座1的安装部11上，具体而言在每个贯通孔11a的两侧，一对螺母3分别夹住底座1的顶面1a和第一凹槽11’的槽面，螺母3的端面与它们紧密接触，由此将一对螺杆2平行地设置在两底座1的安装部11上。在装配好工装夹具后，可将纤维束4缠绕至一对底座1的缠绕部12之间，可以通过调节螺母3在螺杆2上的位置来调节两底座1的缠绕部12之间的距离，从而对纤维束内部的松紧度进行有效调节，保证了界面和基体相在纤维束内部的有效沉积，能减少材料内部孔隙，保证纤维束内部纤维单丝处于同样的应力状态，最大化的发挥纤维的力学增强增韧效。而且，通过调节螺母，能有效保证两个底座之间距离的一致（即两底座平行），避免纤维束缠绕过程中长短不一。此外，也可以根据需求调节缠绕部上纤维束的缠绕密度，或是调节两底座的缠绕部的间距来进一步调节纤维束的可缠绕区域，还可根据炉内空间进一步调节底座间的间距，减少夹具在炉内占用空间。

本发明中，工装夹具可以在炉内垂直放置或是水平放置，根据不同的放置形式选择螺杆2和螺母3的规格参数。具体地，如图2、3所示，为了能将工装夹具用于炉内垂直放置，因此螺母3的厚度在第一凹槽11’的深度以下，同时，一对螺杆2设置为下端不超出下方的底座1的底面1b，上端保持灵活调节，由此能使底座1的四个凸台14平稳地支撑工装夹具。

根据以上结构，该工装夹具能够自行稳定固定在炉内，可以直接垂直放置在炉内，也可以水平放置在炉内。在界面相和基体相沉积过程中不需要额外模具对夹具进行支撑，省却了传统平板上缠绕纤维束沉积时所需固定支撑装置，降低了结构复杂性，提高了材料可靠性。

作为垂直放置的工装夹具的一个示例，底座1可以是第一凹槽11’的深度为15mm，宽度为25mm，安装部11上的贯通孔11a的直径为10mm。螺杆2选用纯螺纹杆，长度可以是150mm，规格（螺纹直径）为M8，螺杆2的下端设置在下方的底座1的凸台14内，上端凸出于上方的底座1的凸台14。螺母3选用圆螺母，其规格为M8，厚度为5mm，外径为15mm。另外，底座1的缠绕部12的倒角半径可以是3mm。因理解，以上尺寸仅为一个示例，各构件不限于上述尺寸，螺杆和螺母尺寸规格可根据小孔直径大小灵活选择。

另一方面，当工装夹具用于炉内水平放置时，螺母3的厚度不作具体限制，螺杆3的两端均可以超出底座1的底面1b。

在炉内对纤维束的表面进行界面相制备及基体致密化处理时，界面相可以是PyC、BN、SiBN、SiBCN、（PyC/SiC）n多层界面、（BN/SiC）n多层界面、（BN/Si₃N₄）n多层界面、（SiBN/Si₃N₄）n多层界面等。基体可以是SiC、BN、Si₃N₄、SiBN、SiBCN、HfC、ZrC等，该纤维束可以是是二代或三代国产SiC纤维束、碳纤维束、石墨纤维束、BN纤维束等。图4是工装夹具制备得到的纤维束（单束 SiC/SiC复合材料）的实物示意图。

在使用时，先将纤维束4缠绕在工装夹具的缠绕部12上后，放入炉内进行界面相沉积，在界面相沉积完成后取下纤维束，再根据基体相沉积特性通过调节螺母3和螺杆2来调节工装夹具的尺寸，重新缠绕纤维束4至缠绕部12进行基体相沉积。

本发明的工装夹具能够根据界面相和基体相工艺特点，因地适宜的调节所需缠绕纤维束的数量、长度和松紧度等，且能对纤维束内部的松紧度进行有效调节，通过减少材料内部孔隙，保证纤维束内部纤维单丝处于同样的应力状态，最大化的发挥纤维的力学增强增韧效。该工装夹具不需要额外模具对夹具进行支撑，能其自行垂直或水平放置在炉内，结构简单，提高了材料可靠性。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

是在纤维束的表面进行界面相制备及基体致密化处理时对纤维束进行固定的工装夹具，包括一对底座、一对螺杆和多个螺母；

所述底座上设置有通过在底面上沿长度方向开设第一凹槽而形成的安装部和通过在底面上沿宽度方向开设第二凹槽而形成的缠绕部，所述第二凹槽的深度在所述第一凹槽以下；

在所述第一凹槽与所述第二凹槽重叠的区域上开设有用于通过气流的通气孔，所述安装部在所述通气孔的两侧形成有对称分布的一对贯通孔；

一对所述螺杆以分别插通一对所述底座上的一对所述贯通孔，且在一对所述贯通孔的两侧通过所述螺母进行紧固的形式设置；

所述纤维束缠绕于一对所述底座的所述缠绕部的外周缘上；

在将所述纤维束缠绕在所述工装夹具的所述缠绕部上后，放入炉内进行界面相沉积，在界面相沉积完成后取下所述纤维束，根据基体相沉积特性调节所述工装夹具的尺寸，重新缠绕所述纤维束至所述缠绕部进行基体相沉积；

所述工装夹具的尺寸和所述纤维束的松紧度通过调节所述底座两端的所述螺母进行调节。

2.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述底座的顶面、底面、所述第一凹槽的槽面以及所述第二凹槽的槽面彼此互相平行；

一对所述底座以彼此的顶面平行的形式相向设置。

3.根据权利要求1或2所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述贯通孔覆盖所述第一凹槽与所述第二凹槽的整个重叠区域。

4.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述缠绕部的外周缘设置有倒角，所述倒角的半径为1-10mm。

5.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述界面相是PyC、BN、SiBN、SiBCN、（PyC/SiC）n多层界面、（BN/SiC）n多层界面、（BN/Si₃N₄）n多层界面或（SiBN/Si₃N₄）n多层界面；

所述基体是SiC、BN、Si₃N₄、SiBN、SiBCN、HfC或ZrC。

6.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述纤维束是SiC纤维束、碳纤维束、石墨纤维束或BN纤维束。

7.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述螺杆是纯螺纹杆或中间为圆杆两端为螺纹的长杆；

所述螺母是圆螺母、六角螺母或方螺母，其外径大于所述贯通孔的直径且小于所述第一凹槽的宽度。

8.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述螺杆和所述螺母由普通石墨、电极石墨、细颗粒石墨、中粗石墨和高纯石墨制成；

所述螺杆的螺纹直径为M4-M30；

所述螺母的公称直径为M4-M30。

9.根据权利要求1所述的单束纤维增强陶瓷基复合材料制备用工装夹具，其特征在于，

所述螺母的厚度在所述第一凹槽的深度以下；

一对所述螺杆以一端不超出一对所述底座的底面的形式设置。