CN114292119B - 连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管及其制备使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷基复合材料构件，连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管及其制备使用方法。克服平板制备的SiC陶瓷复合材料连接件因长度方向连续纤维较少导致剪切性能受限的问题。剪力套管制备方法包括制作圆柱体状芯模、制备管状预制体、制备具有碳界面层的管状预制体、制备C/SiC管状预制体、加工及对加工后的预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积。使用时，将剪力套管套在SiC陶瓷复合材料连接件上，可提升构件在此连接件区域的抗剪切性能，同时，该剪力套管制备工艺简单，加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基复合材料构件，具体为一种连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管及其制备使用方法。
背景技术
目前，通常采用SiC陶瓷复合材料销钉及螺杆等连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，并进行SiC基体沉积填充铆接间隙，形成C/SiC陶瓷基复合材料构件。但由于销钉及螺杆等连接件是由平板加工得到的，表面纤维会受到损伤，长度方向连续纤维较少，圆周方向无连续纤维，导致其剪切性能受限，无法满足构件局部区域的抗剪切性能。
为了克服上述问题，本领域技术人员一般采用SiC纤维增强上述SiC陶瓷复合材料连接件，但是其制备工艺复杂，加工成本较高。
发明内容
为了克服平板制备的SiC陶瓷复合材料连接件因长度方向连续纤维较少导致剪切性能受限的问题，本发明提供了一种连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管及其制备方法，将剪力套管套在SiC陶瓷复合材料连接件上，可提升构件在此连接件区域的抗剪切性能，同时，该剪力套管制备工艺简单，加工成本低。
本发明所采用的技术方案是：
一种连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)、制作圆柱体状芯模；
步骤2)、制备管状预制体；
将碳纤维平纹布同轴缠绕在圆柱体状芯模使用型面至剪力套管定型厚度，制成管状预制体；碳纤维平纹布的起始缠绕边与圆柱体状芯模中心线平行且共面；
步骤3)制备具有碳界面层的管状预制体；
步骤3.1)将碳纤维束以螺旋缠绕的方式沿管状预制体外表面均匀缠绕，打结固定；防止芯模取出后，管状预制体散开，造成分层等质量缺陷；
步骤3.2)缠绕完成后，抽出芯模；
步骤3.3)对步骤3.2)抽出芯模后的管状预制体进行CVI沉积，制备具有碳界面层的管状预制体，碳界面层厚度为100～350nm；
步骤3.4)对碳界面层厚度合格的管状预制体进行高温处理；
步骤4)制备C/SiC管状预制体；
对高温处理后的具有碳界面层的管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，制备C/SiC管状预制体，所述C/SiC管状预制体密度为1.65～1.80g/cm3；
步骤5)加工C/SiC管状预制体内外表面至所需直径尺寸；
步骤6)对加工后的C/SiC管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管，所述连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管密度为1.80～1.95g/cm3。步骤3)-步骤6)，管状预制体在CVI沉积时，不需要石墨模具进行维型。
进一步地，为了降低模具在脱模过程中的损耗，且保证管状预制体的内型面有加工余量，步骤1)中，芯模的材料为金属，芯模直径≤d-1mm，其中d为待制备剪力套管的内径。
进一步地，步骤1)中，待制备剪力套管的内径d≤10mm，以保证脱模后预制体不散开。
进一步地，步骤2)中，碳纤维平纹碳布的规格为1k。
进一步地，步骤2)中，管状预制体长度≥L+20mm，L为待制备剪力套管的长度。
进一步地，步骤3.1)中，碳纤维束规格为3k。
进一步地，步骤3.4)中高温处理的温度为1600-2100℃。
本发明还提供一种利用上述方法制备的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管。
本发明还提供一种利用上述连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管增强构件在此连接件区域的抗剪切性能的方法，其特殊之处在于：
将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，通过对二维平纹碳布缠绕定型后，经界面层沉积、高温处理及CVI碳化硅基体沉积到一定密度，从而得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管。剪切破坏的过程包括有界面破坏、基体破坏和纤维断裂等过程，通过此工艺可保证套管在长度和宽度方向的连续纤维，连续纤维可延缓裂纹的扩展，从而提升此连接件区域的抗剪切性能。
2、该制备工艺中，碳纤维缠绕完成后，就将定型用的芯模抽出，CVI沉积时不需要带任何模具，内外表面气体通道都非常畅通，可保证CVI沉积时的密度均匀性及致密性，且不会出现因模具黏连而造成内径表面分层、碳布脱落等异常现象。
3、该制备工艺中，碳纤维缠绕完成后，就将定型用的芯模抽出，芯模可转入下一件剪力套管的缠绕定型，可有效提高芯模的利用率，降低生产成本。
附图说明
图1为实施例中管状预制体缠绕示意图；
图中附图标记为：1-芯模，2-碳纤维束。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在其他实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施例为内径d为6mm，外径为10mm，长度为50mm的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管的制备，具体步骤如下：
1)制作一根圆柱体状芯模，芯模使用不锈钢材质，芯模内径为5mm，长度为70mm；在其他实施例中还可以采用石墨材质制作芯模。
2)采用缠绕法：如图1所示，将1k二维平纹碳布同轴缠绕在圆柱体状芯模使用型面至剪力套管定型厚度，制成管状预制体；碳纤维平纹布的起始缠绕边与圆柱体状芯模中心线平行且共面；
3)预制体缠绕完成后，使用3k碳纤维束以螺旋缠绕的方式沿预制体外表面均匀紧密用力缠绕，缠绕方式见附图1，打结固定；
4)碳纤维束在预制体表面缠绕完成后，抽取芯模；
5)对抽出芯模后的管状预制体进行CVI沉积，制备具有碳界面层的管状预制体，碳界面层厚度为280nm；进行CVI沉积的工艺条件为：以丙烯为前驱体，丙烯流量为4～8L/min，以Ar为稀释气体，Ar气流量为9～12L/min，沉积温度为880～1000℃，系统总压为3～5kPa，沉积时间为30～50h。
6)对碳界面层厚度合格的管状预制体在1900℃下进行高温处理。
7)对高温处理后的具有碳界面层的管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，制备C/SiC管状预制体，所述C/SiC管状预制体密度为1.70g/cm3；进行CVI沉积的工艺条件为：以三氯甲基硅烷为前驱体，三氯甲基硅烷流量为30～60cm，以Ar为稀释气体，Ar气流量为2～8L/min，以H2为载气，鼓泡H2流量为2～8L/min，稀释H2流量为2～7L/min，沉积温度为1000～1200℃，系统总压为3～5kPa，沉积时间为30～80h。
8)加工C/SiC管状预制体内外表面至内径等于6mm、外径等于10mm、长度为50mm；
9)对加工后的C/SiC管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管，所述剪力套管密度为1.95g/cm3。
利用上述套管，通过以下过程实现构件在此连接件区域的抗剪切性能：
将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
实施例2
本实施例为内径等于4mm、外径等于6mm、长度等于50mm的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管的制备，具体步骤如下：
1)制作一根圆柱状芯模，芯模使用不锈钢材质，芯模内径为3mm，长度为70mm；在其他实施例中还可以采用石墨材质制作芯模。
2)如图1所示，将1k二维平纹碳布同轴缠绕在圆柱体状芯模使用型面至剪力套管定型厚度，制成管状预制体；碳纤维平纹布的起始缠绕边与圆柱体状芯模中心线平行且共面；
3)预制体缠绕完成后，使用3k碳纤维束以螺旋缠绕的方式沿预制体外表面均匀紧密用力缠绕，缠绕方式见附图1，打结固定；
4)碳纤维束在预制体表面缠绕完成后，抽取芯模；
5)对抽出芯模后的管状预制体进行CVI沉积，制备具有碳界面层的管状预制体，碳界面层厚度为100nm；沉积条件与实施例1相同；
6)对碳界面层厚度合格的管状预制体在1600℃下进行高温处理。
7)对高温处理后的具有碳界面层的管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，制备C/SiC管状预制体，所述C/SiC管状预制体密度为1.80g/cm3；沉积条件与实施例1相同；
8)加工C/SiC管状预制体内外表面至内径为4mm、外径为6mm、长度为50mm；
9)对加工后的C/SiC管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管，所述剪力套管密度为1.80g/cm3。
利用上述套管，通过以下过程实现构件在此连接件区域的抗剪切性能：
将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
实施例3
本实施例为内径为10mm、外径为14mm、长度为50mm的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管的制备，具体步骤如下：
1)制作一根芯模，芯模使用不锈钢材质，芯模内径为8mm，长度为70mm；在其他实施例中还可以采用石墨材质制作芯模。
2)如图1所示，将1k二维平纹碳布同轴缠绕在圆柱体状芯模使用型面至剪力套管定型厚度，制成管状预制体；碳纤维平纹布的起始缠绕边与圆柱体状芯模中心线平行且共面；
3)预制体缠绕完成后，使用3k碳纤维束以螺旋缠绕的方式沿预制体外表面均匀紧密用力缠绕，缠绕方式见附图1，打结固定；
4)碳纤维束在预制体表面缠绕完成后，抽取芯模；
5)对抽出芯模后的管状预制体进行CVI沉积，制备具有碳界面层的管状预制体，碳界面层厚度为350nm；沉积条件与实施例1相同；
6)对碳界面层厚度合格的管状预制体在2100℃下进行高温处理。
7)对高温处理后的具有碳界面层的管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，制备C/SiC管状预制体，所述C/SiC管状预制体密度为1.65g/cm3；沉积条件与实施例1相同；
8)加工C/SiC管状预制体内外表面至内径Φ6、外径Φ10、长度为50mm；
9)对加工后的C/SiC管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管，所述剪力套管密度为1.90g/cm3。
利用上述套管，通过以下过程实现构件在此连接件区域的抗剪切性能：
将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
Claims (8)
1.一种连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、制作圆柱体状芯模；
芯模的材料为金属，芯模直径≤d-1mm，其中d为待制备剪力套管的内径；
步骤2)、制备管状预制体；
将碳纤维平纹布同轴缠绕在圆柱体状芯模使用型面至剪力套管定型厚度，制成管状预制体；碳纤维平纹布的起始缠绕边与圆柱体状芯模中心线平行且共面；
步骤3)制备具有碳界面层的管状预制体；
步骤3.1)将碳纤维束以螺旋缠绕的方式沿管状预制体外表面均匀缠绕，打结固定；
步骤3.2)缠绕完成后，抽出芯模；
步骤3.3)对步骤3.2)抽出芯模后的管状预制体进行CVI沉积，制备具有碳界面层的管状预制体，碳界面层厚度为100～350nm；
步骤3.4)对碳界面层厚度合格的管状预制体进行高温处理；
步骤4)制备C/SiC管状预制体；
对高温处理后的具有碳界面层的管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，制备C/SiC管状预制体，所述C/SiC管状预制体密度为1.65～1.80g/cm3；
步骤5)加工C/SiC管状预制体内外表面至所需直径尺寸；
步骤6)对加工后的C/SiC管状预制体继续进行CVI碳化硅基体沉积，得到连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管，所述连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管密度为1.80～1.95g/cm3；
使用时，将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于：步骤1)中，待制备剪力套管的内径d≤10mm。
3.根据权利要求2所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于：步骤2)中，碳纤维平纹碳布的规格为1k。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于：步骤2)中，管状预制体长度≥L+20mm，L为待制备剪力套管的长度。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于：步骤3.1)中，碳纤维束规格为3k。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管制备方法，其特征在于：步骤3.4)中高温处理的温度为1600-2100℃。
7.一种利用权利要求1-6任一所述方法制备的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管。
8.一种权利要求7所述的连续纤维增强陶瓷基复合材料剪力套管的使用方法，其特征在于：
将剪力套管套在连接件上进行修配，修配完成后，将剪力套管和连接件拆开分别进行CVI沉积；沉积完成后，采用具有套管的连接件将各陶瓷基复合材料零件连接，之后继续进行SiC基体沉积填充铆接间隙。
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