CN115894048B - 一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，涉及紧固件，采用碳纳米纤维掺杂的陶瓷材质制成，碳纳米纤维与陶瓷的质量比为5%～15%，陶瓷螺杆和螺帽内嵌入有多圈沿螺栓径向排列的碳纤维织物，最外层碳纤维织物设置有嵌设在陶瓷螺栓对应螺牙内的螺纹结构，本发明提供的碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓极耐腐蚀，具有很高的强度，并且可以一次成型。

Description

一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓

技术领域

本发明涉及一种紧固件，具体为一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓。

背景技术

螺栓作为一种不可或缺的工业必需品，被用在各行各业中。一般情况下，螺栓都由金属制成，例如不锈钢、铜等，为了防止金属本身的腐蚀，由金属制成的螺栓的外表面还要生成一层防腐层，例如通过膜层处理技术在金属表面生成一层稳定的转化膜、或通过金属镀层技术在金属表面形成抗腐金属薄层等。但是，由于螺栓本身还是由金属制成，随着日积月累的侵蚀、或者在反复使用过程中的磨损，螺栓本身还是会存在腐蚀的问题。相较于与金属，陶瓷本身的抗腐蚀性能极佳，而且还具有很高的硬度和耐磨性，但是，通常陶瓷的单体都属于硬脆材料，不仅难于被加工，而且即使被加工出来，由于陶瓷自身的韧性不够，螺纹牙处的陶瓷在螺栓拧紧的过程中也容易被崩裂。

用碳纤维与陶瓷组成复合材料能大幅度地提高陶瓷的抗断裂和抗热震性能，显著地改善陶瓷的脆性，例如碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400℃的温度下长期使用，可用作喷气飞机的涡轮叶片。但是，具体到螺栓，螺栓本身是通过螺纹牙毫、微米级的类三角形或梯形的径向结构提供锁紧力，局部螺纹牙的表面积较小需要承受很大的锁紧压力，中国发明专利（公开号：CN112552065A）公开了一种纤维增强陶瓷基复合材料螺栓及其制备方法，其先将碳纤维或碳化硅维通过2.5D针刺、穿刺成形的方式生成螺栓纤维预制体，然后将纤维预制体放入模具中固定，接着使用多次浸渍-固化-裂解的方式制备出螺杆的头部和杆部，螺杆的头部和杆部通过螺纹锁紧在一起作为螺杆使用，但是以上用针刺、穿刺成形制备螺栓预制体的方式，由于针刺、穿刺的成形精度较低，预制体的外部结构无法复刻螺纹牙本身的结构，所以无法有效地对螺纹牙的整体强度进行协同的提升，而螺栓的螺纹牙本身需要作为一个整体提供锁紧力，另外多次浸渍-固化-裂解步骤的不仅操作过程较为复杂、制备出来的螺栓内部会存留有孔隙而且只能制备出分立的头部和杆部结构，从而会影响螺栓整体的强度，头部与螺杆间的拉伸强度在120MPa左右。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种极耐腐蚀的、高强度、可一次成型的碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓。

本发明的技术方案是：一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，其特征在于：螺栓采用碳纳米纤维掺杂的陶瓷材质制成，碳纳米纤维与陶瓷的质量比为5%～15%，陶瓷螺杆和螺帽内嵌入有多圈沿螺栓径向排列的碳纤维织物，最外层碳纤维织物设置有嵌设在陶瓷螺栓对应螺牙内的螺纹结构。

进一步地，所述陶瓷采用融化温度在碳纤维分解温度之下的陶瓷材料。

进一步地，所述碳纤维织物增强型陶瓷螺栓的制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

S1、制备由大到小、并且高度相同的中空二氧化硅气凝胶套，二氧化硅气凝胶套的外部形状结构与螺栓形状相同，最小的一个二氧化硅气凝胶套的中空部分为柱状孔，除最小的一个外的其它各二氧化硅气凝胶套的中空部分均为螺栓结构的T形孔，使由大到小的二氧化硅气凝胶套能够依次套设在在一起，最大的一个二氧化硅气凝胶套的外部形状结构与待制备螺栓的形状、大小相同；

S2、将碳纤维织物卷绕为直径、高度与最小二氧化硅气凝胶套柱状中空结构内径、高度一致的碳纤维织物柱状体，将碳纤维织物柱状体套设在最小的一个二氧化硅气凝胶套内、并且之间通过硅胶胶水粘结，在每个二氧化硅气凝胶套的外壁上均用硅胶胶水粘附上碳纤维织物形成碳纤维织物贴合层，再将二氧化硅气凝胶套由小到大依次套设在一体，相互套设的二氧化硅气凝胶套的顶端和底端均平齐，二氧化硅气凝胶套外壁上的碳纤维织物贴合层同时通过硅胶胶水与相邻外层二氧化硅气凝胶套的内壁粘结，从而使套在一起的二氧化硅气凝胶套形成螺栓预制体；

S3、将螺栓预制体置入螺栓模具中，从螺栓模具抽出空气使模具内部处于真空状态；

S4、将质量比为5%～15%碳纳米纤维掺入陶瓷粉末中，加热陶瓷粉末至融化，搅拌液态陶瓷，使得液态陶瓷与碳纳米纤维均匀混合形成混合陶瓷液体，将混合陶瓷液体注入到步骤S3中置入有螺栓预制体并处于真空状态的螺栓模具中；

S5、将注入了陶瓷液体的螺栓模具置于1.2～1.5大气压的压强下，待注入的陶瓷液体自然冷却到常温形成碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓，从模具中取出碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓。

进一步地，步骤S1中二氧化硅气凝胶套的制备方法：在内腔形状、尺寸与需要制备的二氧化硅气凝胶套外部尺寸相同的反应容器中放入同轴线布置的模具，模具与反应容器之间形成与所制备二氧化硅气凝胶套形状、大小相匹配的间隙，向反应容器中加入反应材料，待反应完成后取出模具，然后取出二氧化硅气凝胶套。

进一步地，所述碳纤维织物的碳纤维的表面上沉积有SiO₂和SiC。

进一步地，所述螺栓模具包括相互对合的左模体、右模体，左模体、右模体之间相互配合形成与螺栓匹配的腔体，左模体、右模体之间采用可拆卸连接。

本发明的有益效果：

本发明提供的碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓通过嵌入多层具有贴合螺纹牙结构的碳纤维织物将整个螺纹牙连接成一个整体，从而能从整体上增强螺栓尤其是螺纹牙的强度，并且掺入陶瓷中的碳纳米纤维能够增强陶瓷各个局部区域的强度。

本发明提供的碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓在将螺栓预制体置入螺栓模具后，通过注入混合陶瓷液体能够直接生成成型螺栓，并且通过在混合陶瓷液体注入前的模具中抽真空可以避免让陶瓷螺栓中混入气泡，在陶瓷螺栓冷却过程中施加高压可以使得混合陶瓷液体能更加贴和在模具的表面，因此本发明生成的螺栓的整体具有非常高的连接强度。

本发明的螺栓模具可以沿轴向被加工成包含多个螺栓注入单元的结构，从而可以通过一次注入同时生成多个碳纤维织物增强型陶瓷螺栓。

附图说明

图1为本发明碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓的结构示意图；

图2为图1的A局部放大图；

图3为螺栓预制体的结构示意图；

图4为图3的B局部放大图；

图5为螺栓模具的结构示意图；

图6为二氧化硅气凝胶套的反应容器结构示意图；

图7为放置了同轴线模具的较大二氧化硅气凝胶套反应容器结构示意图；

图8为放置了同轴线模具的最小二氧化硅气凝胶套反应容器结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明公开了一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓1，具有极耐腐蚀、高强度、可一次成型的优势，如图1、图2所示，螺栓采用碳纳米纤维掺杂的陶瓷材质11制成，碳纳米纤维与陶瓷的质量比为5%～15%，陶瓷螺杆和螺帽内嵌入有多圈沿螺栓径向排列的碳纤维织物12，最外层碳纤维织物12设置有嵌设在陶瓷螺栓对应螺牙内的螺纹结构。

碳纤维织物增强型陶瓷螺栓制备方法如下：

1）制备由大到小、并且高度相同的中空二氧化硅气凝胶套2，二氧化硅气凝胶套2的外部形状结构与螺栓1形状相同，最小的一个二氧化硅气凝胶套2的中空部分为柱状孔，除最小的一个外的其它各二氧化硅气凝胶套2的中空部分均为螺栓结构的T形孔，使由大到小的二氧化硅气凝胶套2能够依次套设在在一起，最大的一个二氧化硅气凝胶套2的外部形状结构与待制备螺栓1的形状、大小相同。

2)在碳纤维织物表面用化学气相沉积法沉积SiO₂和SiC，从而使得碳纤维织物能够与陶瓷更好地结合在一起，碳纤维织物可采用现有工业用的编织型碳纤维织物，将碳纤维织物卷绕为直径、高度与最小二氧化硅气凝胶套2柱状中空结构直径、高度一致的碳纤维织物柱状体3，将碳纤维织物柱状体3套设在最小的一个二氧化硅气凝胶套2内、并且之间通过硅胶胶水粘结，在每个二氧化硅气凝胶套2的外壁上均用硅胶胶水粘附上碳纤维织物形成碳纤维织物贴合层4，再将二氧化硅气凝胶套2由小到大依次套设在一体，相互套设的二氧化硅气凝胶套2的顶端和底端均平齐，二氧化硅气凝胶套2外壁上的碳纤维织物贴合层4同时通过硅胶胶水与相邻外层二氧化硅气凝胶套2的内壁粘结，从而使套在一起的二氧化硅气凝胶套2形成螺栓预制体5，如图3、图4所示。

3）将螺栓预制体5置入螺栓模具8中，如图5所示螺栓模具8包括相互对合的左模体81、右模体82，左模体81、右模体82之间相互配合形成与螺栓1匹配的腔体，左模体81的腔体包含有螺栓1的左半边结构，右模体82的腔体包含有螺栓1的右半边结构，左模体81、右模体82之间采用可拆卸连接，先将螺栓预制体5置入半边螺栓结构的模体中，调整螺栓预制体5的位置，使得螺栓预制体5的外螺纹贴合半边模体的内螺纹，将另一个半边模体与放置有螺栓预制体5的半边模体对合，形成整体的螺栓模具8，从螺栓模具8抽出空气使模具内部处于真空状态。螺栓模具8可采用低热膨胀系数材料制成，并且螺栓模具8的外壁可采用水冷降温，用于降低模具本身的温度变化。

4）将质量比为5%～15%碳纳米纤维掺入陶瓷粉末中，陶瓷采用融化温度在碳纤维分解温度之下的陶瓷材料，例如硅酸盐、二氧化硅等，加热陶瓷粉末至融化，搅拌液态陶瓷，使得液态陶瓷与碳纳米纤维均匀混合形成混合陶瓷液体，将混合陶瓷液体注入到步骤3中置入有螺栓预制体5并处于真空状态的螺栓模具8中，螺栓预制体5的二氧化硅气凝胶套2完全融化、融入陶瓷液体，混合陶瓷液体填充满螺栓模具8并填充入碳纤维织物上的孔隙，包裹碳纤维织物。

5）将注入了陶瓷液体的螺栓模具8置于1.2～1.5大气压的压强下，待注入的陶瓷液体自然冷却到常温形成碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓1，从模具8中取出碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓1。

以上步骤1中二氧化硅气凝胶套2的制备方法如下：

如图6-8所示，在内腔形状、尺寸与需要制备的二氧化硅气凝胶套2外部尺寸相同的反应容器中6放入同轴线布置的模具7，模具7与反应容器6之间形成与所制备二氧化硅气凝胶套2形状、大小相匹配的间隙，向反应容器6中加入反应材料，待反应完成后取出模具7，然后取出二氧化硅气凝胶套2。

本发明制成的样品的性能如下：

由上述结果可知，当碳纳米纤维掺入质量比达到10%以上，碳纤维织物的贴合层数达到3层及以上时，本发明的增强型陶瓷螺栓的性能趋于稳定可达到800MP以上的抗拉强度，与高强度不锈钢螺栓的抗拉强度处于同一等级。

Claims (4)

1.一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，其特征在于：螺栓采用碳纳米纤维掺杂的陶瓷材质制成，碳纳米纤维与陶瓷的质量比为5%～15%，陶瓷螺杆和螺帽内嵌入有多圈沿螺栓径向排列的碳纤维织物，最外层碳纤维织物设置有嵌设在陶瓷螺栓对应螺牙内的螺纹结构；所述陶瓷采用融化温度在碳纤维分解温度之下的陶瓷材料；所述螺栓的制备方法包括工艺步骤：

S1、制备由大到小、并且高度相同的中空二氧化硅气凝胶套，二氧化硅气凝胶套的外部形状结构与螺栓形状相同，最小的一个二氧化硅气凝胶套的中空部分为柱状孔，除最小的一个外的其它各二氧化硅气凝胶套的中空部分均为螺栓结构的T形孔，使由大到小的二氧化硅气凝胶套能够依次套设在一起，最大的一个二氧化硅气凝胶套的外部形状结构与待制备螺栓的形状、大小相同；

S2、将碳纤维织物卷绕为直径、高度与最小二氧化硅气凝胶套柱状中空结构内径、高度一致的碳纤维织物柱状体，将碳纤维织物柱状体套设在最小的一个二氧化硅气凝胶套内、并且之间通过硅胶胶水粘结，在每个二氧化硅气凝胶套的外壁上均用硅胶胶水粘附上碳纤维织物形成碳纤维织物贴合层，再将二氧化硅气凝胶套由小到大依次套设在一体，相互套设的二氧化硅气凝胶套的顶端和底端均平齐，二氧化硅气凝胶套外壁上的碳纤维织物贴合层同时通过硅胶胶水与相邻外层二氧化硅气凝胶套的内壁粘结，从而使套在一起的二氧化硅气凝胶套形成螺栓预制体；

S3.将螺栓预制体置入螺栓模具中，从螺栓模具抽出空气使模具内部处于真空状态；

S4.将质量比为5%～15%碳纳米纤维掺入陶瓷粉末中，加热陶瓷粉末至融化，搅拌液态陶瓷，使得液态陶瓷与碳纳米纤维均匀混合形成混合陶瓷液体，将混合陶瓷液体注入到步骤S3中置入有螺栓预制体并处于真空状态的螺栓模具中；

S5.将注入了陶瓷液体的螺栓模具置于1.2～1.5大气压的压强下，待注入的陶瓷液体自然冷却到常温形成碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓，从模具中取出碳纤维与陶瓷结构化复合增强型陶瓷螺栓。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，其特征在于：步骤S1中二氧化硅气凝胶套的制备方法：在内腔形状、尺寸与需要制备的二氧化硅气凝胶套外部尺寸相同的反应容器中放入同轴线布置的模具，模具与反应容器之间形成与所制备二氧化硅气凝胶套形状、大小相匹配的间隙，向反应容器中加入反应材料，待反应完成后取出模具，然后取出二氧化硅气凝胶套。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，其特征在于：所述碳纤维织物的碳纤维的表面上沉积有SiO₂和SiC。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维与陶瓷结构化复合增强型螺栓，其特征在于：所述螺栓模具包括相互对合的左模体、右模体，左模体、右模体之间相互配合形成与螺栓匹配的腔体，左模体、右模体之间采用可拆卸连接。