CN1377858A - SiC基复合材料及其与金属的粘接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结合SiC基复合材料制备工艺,进行SiC基复合材料及其与金属的粘接方法,也可用于其他复合材料及其与金属的粘接。本发明通过控制复合材料的孔隙率,选择与复合材料界面化学稳定且具有良好润湿性能的粘接剂,采用热压使粘接剂在复合材料孔隙中渗透而形成梯度咬合,即可直接进行复合材料之间的粘接,也可进一步采用扩散焊或摩擦焊进行复合材料与金属的粘接。本发明具有粘接强度高、抗热震、抗老化,工艺简单等优点。

Description

SiC基复合材料及其与金属的粘接方法

本发明涉及一种结合SiC基复合材料制备工艺，进行SiC基复合材料之间及SiC基复合材料与金属之间的粘接方法。适用于不同制备工艺，不同增强体种类和不同增强体形式的SiC复合材料之间及其与金属的粘接。通过改变粘接剂，也适用于氧化物基和其它非氧化物基复合材料之间及其与金属的粘接。

SiC基复合材料是新一代超高温热结构材料，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。尽管SiC基复合材料的应用已经取得了突破性进展，但粘接仍然是限制其工程应用的关键技术之一。虽然目前国内外有关陶瓷基复合材料粘接的专利技术很多，但均集中在粘接剂材料、粘接层结构和制备方法方面，而且粘接都是在制备结束后进行的，粘接强度主要来自化学反应结合。为了缓解复合材料与粘接层及金属的热膨胀失配，粘接层总是多层的。这不仅使粘接工艺复杂，而且直接导致陶瓷基复合材料及其与金属的粘接强度低，抗热震性能差，在高温下容易扩散老化而失效。

SiC基复合材料的制备工艺包括CVI(Chemical vapor infiltration，化学气相渗透)，PIP(Polymer precursor impregnation & pyrolysis，先驱体浸渍热解)，RB(Reaction bonding，反应烧结)和HP(Hot press，热压烧结)。增强体可能是连续纤维，也可能是短纤维或颗粒。连续纤维可能是碳纤维，也可能是碳化硅纤维。无论何种SiC基复合材料，均有一个共同点，那就是存在一定的孔隙率。如果在制备过程中控制复合材料的开口孔隙率，使粘接剂直接渗透到开口孔隙中，将显著提高粘接强度和抗热震性能，降低高温老化失效倾向，同时简化粘接工艺。

控制复合材料开口孔隙率有两种途径：一种是具有较高开口孔隙率时停止复合材料制备过程，待完成粘接过程后继续完成复合材料制备(见附图1)；另一种是在制备过程中控制复合材料粘接部位的孔隙率，待制备结束后进行粘接(见附图2)。控制孔隙率可以使粘接剂更好地润湿渗透进入孔隙的一定深度，使粘接剂像树根和牙神经一样植入复合材料。控制孔隙率的粘接主要依靠机械咬合和化学键合，粘接剂与复合材料之间只要求有良好的润湿性能，而不要求发生化学反应。

CVI和PIP工艺制备SiC基复合材料温度低，制备过程不会对粘接造成不利影响，因而可以在进行粘接后继续进行致密化。CVI和PIP工艺可以方便地控制孔隙率，实现粘接部位的孔隙率梯度，因而复合材料也可以在制备结束后进行粘接。

采用热压工艺不仅可以降低粘接剂的渗透温度，缓解粘接剂与复合材料的热膨胀失配，而且可以加速粘接剂的渗透过程，防止粘接剂与复合材料之间不利的化学反应与扩散。如果进行复合材料之间的粘接，只需将粘接机置于复合材料之间，直接进行热压即可(见附图3)。由于粘接剂与复合材料之间存在热膨胀失配，热压后粘接界面上残留的粘接剂层越薄越好。如果进行复合材料与金属之间的粘接，则需分两步实施。第一步是通过热压实现粘接剂与复合材料的粘接，热压后复合材料表面留下一定厚度的粘接剂层。第二步是用热压扩散焊或摩擦焊的方法实现粘接剂与金属的粘接(见附图4)。无论是进行扩散焊还是摩擦焊，粘接剂和金属表面都需进行加工和处理。

为了防止粘接剂与复合材料界面的高温老化失效，加速粘接剂的渗透过程和增加渗透深度，提高粘接强度，粘接剂应满足两个条件：(1)粘接剂与复合材料之间不能发生显著的化学反应；(2)粘接剂与复合材料应具有良好的润湿性能。Ni与SiC基复合材料之间除了存在一定的化学键合外不存在明显的界面反应，但Ni与SiC基复合材料之间的润湿性较差。在Ni中加入一些活性元素如Ti等，可以使Ni在SiC表面润湿良好。因此，Ni合金是SiC基复合材料一种较理想的粘接剂。

综上所述，本发明包括三个核心环节：(1)SiC基复合材料孔隙率控制；(2)与SiC基复合材料界面化学稳定且润湿性良好的粘接剂选择；(3)粘接剂的热压渗透。

由于粘接剂与SiC基复合材料依靠渗透形成的梯度咬合和一定的化学键合实现粘接，本发明具有以下显著的特点：(1)粘接强度高；(2)抗热震性能好；(3)高温稳定性好；(4)粘接工艺简单。

附图1给出了通过控制复合材料粘接部位孔隙率梯度进行粘接的方法，图中1-粘接剂、2-致密化复合材料。

附图2给出了利用具有较高孔隙率的复合材料进行粘接，然后进行复合材料致密化的方法，图中1-粘接剂、2-致密化复合材料、3-低密度复合材料。

附图3给出了通过热压渗透在具有孔隙率梯度的复合材料之间进行粘接的方法，图中1-粘接剂、2-致密化复合材料。粘接完成后，粘接界面上留下的粘接剂层很薄，而两侧形成了梯度渗透区。

附图4给出了通过热压渗透在具有孔隙率梯度的复合材料与金属之间进行连接的方法，图中1-粘接剂、2-致密化复合材料、4-金属、5-石墨垫。首先进行SiC基复合材料与粘接剂的粘接。为了保证粘接剂与金属的粘接，粘接剂层应进行加工和处理。粘接剂与金属的粘接可以采用热压扩散焊，也可以采用摩擦焊。

下面，结合附图对本发明的实施作进一步的描述。实施例1：C/SiC与C/SiC复合材料的粘接(附图5)

图中1-Ni合金粘接剂、2-致密化C/SiC复合材料、3-低密度C/SiC复合材料。低密度C/SiC的孔隙率为20～25％，致密化SiC的孔隙率为15～18％，试件为圆环形。将低密度C/SiC试件与Ni合金组合在一起，置于热压炉中，在真空介质中进行热压渗透。热压温度为1250～1350C，压力为30MPa，时间为5～15分钟。粘接完成后，再将试件置于化学气相(CVI)炉中进行致密化，沉积所用的先驱体为一甲基三氯硅烷(CH₃SiCl₃，MTS)，沉积温度1000℃，时间20～50h，气氛压力为3kPa，H₂气流量200～350ml·min^-1，H₂与MTS的摩尔质量比大于10。实施例2：C/SiC与Ti合金的粘接(附图6)

图中1-Ni合金粘接剂、2-具有孔隙率梯度的致密化C/SiC复合材料、4-Ti合金、6-石墨芯模、7-石墨外模、8-石墨压环。将试件与Ni合金组装于石墨模具中，然后在真空热压炉中进行渗透粘接。热压温度为1250～1300℃，压力为20MPa，时间为5～10分钟。控制热压工艺，使试件粘接面上留下1.5mm左右厚的Ni合金层。经过加工后，Ni合金层的厚度为1mm。对Ni合金层进行表面去污处理后，将试件与Ti合金环组合在一起，在真空热压炉中进行扩散焊接。热压温度为850～1000℃，压力为30MPa，时间为60～120分钟。

Claims (7)

1、SiC基复合材料及其与金属的粘接方法，其特征在于：控制复合材料的孔隙率，选择与复合材料界面化学稳定且具有良好润湿性能的粘接剂，采用热压使粘接剂在复合材料孔隙中渗透，实现复合材料之间及复合材料与金属之间的梯度咬合粘接，提高粘接强度及抗热震与抗老化性能。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用CVI或PIP工艺制备SiC基复合材料，在制备过程中控制复合材料的孔隙率。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用低密度或在粘接部位具有梯度孔隙率的SiC基复合材料进行渗透粘接，提高粘接强度。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：选择与SiC复合材料界面化学稳定且具有良好润湿性能的粘接剂，改善粘接的抗老化性能。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用热压促进粘接剂的渗透，降低渗透温度，缩短渗透时间，改善粘接的抗热震性能。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：在用热压进行复合材料之间的粘接时，使粘接界面上的粘接剂层最薄。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用两步法进行复合材料与金属之间的粘接，即采用热压渗透进行复合材料与粘接剂的粘接，然后采用扩散焊或摩擦焊进行粘接剂与金属的粘接。

Images