CN1597621A - 陶瓷基复合材料的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：用陶瓷基复合材料加工铆钉，将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔；将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；采用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅，进行铆钉与连接件锥型铆钉孔之间的粘结；对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；采用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。可实现大型复杂薄壁构件的铆接，具有连接强度、可靠性和使用温度高，结构强度下降小，不改变构件表面形状，连接成本低等优点。还可用于碳基复合材料及其他复合材料的连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的连接方法，特别是碳基和碳化硅陶瓷基复合材料的连接方法，主要适用于大型复杂薄壁和尺寸精度要求高的陶瓷基复合材料构件的连接。
背景技术
陶瓷基复合材料是接替金属的新一代战略性热结构材料，突出的优点是耐高温和低密度，在航空、航天、空天和兵器等领域具有广阔的应用前景。随着大型复杂薄壁陶瓷基复合材料构件的需求日益增加，连接成为限制其应用的关键技术。陶瓷基复合材料主要有连续纤维、晶须和颗粒增韧三种增韧方式，而连续纤维增韧又有二维和三维等多种编制方式。陶瓷基复合材料的连接可以分为三种情况：一是根据制造工艺需要进行同种陶瓷基复合材料的连接；二是根据性能设计需要进行的不同编制结构陶瓷基复合材料的连接；三是根据降低成本需要进行的不同增韧方式陶瓷基复合材料的连接。
陶瓷基复合材料的连接主要有粘结和紧固两种。粘结方法虽然很多，但由于大部分采用金属连接剂而是使用温度受到限制，不适合陶瓷基复合材料的连接。目前较为成熟的高温粘结方法大致可以分为反应渗硅法和聚合物热解法两种，而螺栓紧固是一种新的机械连接方法。ARCJoinT(Affordable Robust Ceramic Joining Technology)属于反应渗硅法的一种，连接时把一些碳质混合物放置到接点区域，在100～120℃温度范围内处理10～20分钟，然后把纯硅粉以浆料的形式涂于连接区域周围，加热到1425℃保温5～10分钟，液态硅通过毛细作用渗入连接区域与碳发生反应形成SiC。聚合物热解法是通过应用一种聚合物作为陶瓷先驱体与一些溶剂或陶瓷颗粒等混合，作为中间层置于复合材料待连接面间，加热到一定温度使聚合物发生热解生成陶瓷，生成的陶瓷确保了接头与陶瓷基复合材料的相容性，而且热解温度一般较低。由于粘结是一种脆性连接，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。热膨胀失配在连接界面上产生界面应力和缺陷，因而连接面积越大，粘结强度和可靠性越低，而且工艺难度越大。因此，粘结不适合大面积连接。综上所述，粘结存在如下致命弱点：脆性连接降低连接件的可靠性；不适合大型复杂薄壁件的连接。
用陶瓷基复合材料螺栓进行连接不仅连接强度和可靠性高，而且连接构件尺寸和形状不受限制，连接工艺也很简单，但螺栓连接也存在如下缺点：陶瓷基复合材料螺栓加工成本高；对陶瓷基复合材料的结构强度损伤较大；螺栓改变陶瓷基复合材料构件的表面形状。
发明内容
为了克服现有技术粘结降低连接件的可靠性；不适合大型复杂薄壁件的连接以及陶瓷基复合材料螺栓连接加工成本高；对陶瓷基复合材料的结构强度损伤较大；螺栓改变陶瓷基复合材料构件的表面形状等缺点，本发明提供一种复合材料的连接方法，这种类似金属铆接的陶瓷基复合材料连接方法，将粘结和紧固有机结合，充分发挥各自的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：
1)用碳纤维编制三维预制体，用平板石墨模具对碳纤维三维预制体进行定型，经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，用三维C/SiC复合材料加工铆钉；
2)将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔；
3)将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；
4)采用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅；
5)对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；
6)采用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。
所述的陶瓷基复合材料铆钉为沿纤维轴向夹角0～45°方向加工而成，铆钉的直径为φ2～6mm。
所述的铆钉孔为沿构件A与构件B的连接面对称向外的锥孔，锥度为10°～20°。
本发明相比现有技术的有益效果是：由于采用了粘结和紧固相结合的陶瓷基复合材料连接方法，连接强度和可靠性高，使用温度不受影响；将陶瓷基复合材料的制造过程与连接过程融为一体，不需要增加新的连接设备与连接工艺，同时陶瓷基复合材料铆钉的加工成本远比陶瓷基复合材料螺栓低。因此，本发明工艺简单，连接成本低；用化学气相沉积的方法制备表面涂层，将铆接部位覆盖，使构件表面光滑过渡。因此，本发明对连接件的结构强度影响小且不改变构件表面形状；连接过程全部使用陶瓷基复合材料制造设备，在制造设备许可的范围内铆接的尺寸不受限制。因此，本发明对连接件的尺寸和形状限制小，适用于大型复杂薄壁构件的连接。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2为采用本发明连接构件A与构件B的结构示意图
图中1-铆钉、2-构件A、3-构件B、4-锥孔、5-沉积涂层碳化硅、6-渗透粘结碳化硅。
具体实施方式
参照图1：本发明提出一种类似金属铆接的陶瓷基复合材料连接方法，包括如下四个关键环节：
(1)加工陶瓷基复合材料销钉或铆钉；
(2)将连接件组合配钻销钉或铆钉孔；
(3)将销钉或铆钉与连接件进行组合；
(4)将组合件进行化学气相渗透沉积。
由于化学气相渗透沉积是一种粘结，而销钉或铆钉起到了类似螺栓的机械连接作用。本发明巧妙地将粘结与紧固有机结合，充分发挥各自优点的连接新方法。
陶瓷基复合材料铆接的核心环节是化学气相渗透沉积。碳化硅是陶瓷基复合材料最常见的基体材料，也是陶瓷基复合材料最常见的防护涂层材料。陶瓷基复合材料通常用三氯甲基硅烷(MTS)为先驱体，采用化学气相渗透的方法制备碳化硅基体，采用化学气相沉积的方法制备碳化硅涂层。本发明将陶瓷基复合材料的制造过程与连接过程融为一体，不需要增加新的连接设备与连接工艺，同时陶瓷基复合材料铆钉的加工成本远比螺栓低。因此，陶瓷基复合材料铆接可以大幅度降低连接成本。
为了保证碳化硅能在粘接部位充分沉积，提高陶瓷基复合材料的连接强度，铆钉孔应该具有合适的锥度。锥度太小，碳化硅难以渗透沉积，销钉容易拔出。锥度太大，复合材料连接部位容易发生剪切破坏。研究发现，比较合适的锥度在10°～20°之间。在锥度合适的情况下，铆接可以有效承受剪切载荷和拉伸载荷。由于锥孔铆钉结构具有自锁功能，不仅使铆钉承受比较单纯的拉伸应力，而且使锥孔承受比较单纯的压应力。铆接部位的破坏只能是铆钉的断裂，而不是脱粘或锥孔剪切变形导致的铆钉拔出。铆接的强度实际上就是铆钉轴向的拉伸强度或垂直与轴向的剪切强度，而这充分发挥了陶瓷基复合材料铆钉高强度和高韧性的优势。因此，陶瓷基复合材料铆接强度和可靠性高。
为了便于铆钉与连接件的组合，铆钉应该适当加长，而且与锥孔之间应该是紧配合。铆钉的直径越大，对连接件的结构强度影响也越大，因而根据连接件的具体情况设计合适的铆钉直径和分布是非常重要的。陶瓷基复合材料铆钉的直径一般为φ2～6mm，这一点与金属的铆接基本相同。用化学气相渗透的方法进行铆接后，对连接件进行精加工，将铆钉多余的部分除掉。最后用化学气相沉积的方法制备表面涂层，将铆接部位覆盖，使构件表面光滑过渡。即使金属铆接也会在表面留下铆接头，而陶瓷基复合材料的铆接则完全不改变构件的表面形状。由于磨削加工方法的限制，小于M6mm的陶瓷基复合材料螺栓加工非常困难，因而螺栓连接孔的直径大于φ6mm。因此，陶瓷基复合材料铆接对连接件的结构强度影响小且不改变构件表面形状。
铆接全部使用陶瓷基复合材料制造设备，在制造设备许可的范围内铆接的尺寸不受限制。对于大型构件的连接，热膨胀失配导致的变形是需要考虑的关键因素。显然，粘结时连接件的变形具有累加性，因而变形更大，而铆接时连接件的变形具有分散性，因而变形更小。由于铆钉的钉扎作用，热膨胀失配的影响范围主要在铆钉之间。铆接的组合装配取决于机械加工的可行性，在机械加工许可的范围内铆接的形状不受限制。连接件组合装配的精度对于粘结强度影响很大，但对铆接的强度影响不大，因而对于加工精度难以保证的复杂构件，铆接仍是一种合适的选择。因此，陶瓷基复合材料铆接对连接件的尺寸和形状限制小。
参照图2：应用实施例1：选用3K碳纤维编制尺寸为65×120mm三维预制体，用平板石墨模具对预制体进行定型。预制体经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，热解炭和碳化硅的沉积工艺条件为现有技术。用三维C/SiC复合材料沿纤维轴向加工铆钉1，铆钉1的尺寸为φ2×20mm。
选用1K碳布叠层制备尺寸为120×250mm纤维预制体，用平板石墨模具对预制体进行定型。纤维预制体首先沉积热解炭界面层，工艺条件为：沉积温度850℃、气氛压力0.2kPa、丙烯流量30ml/min、Ar流量300ml/min、沉积时间50h。然后沉积碳化硅基体，工艺条件为：沉积温度900℃、气氛压力2kPa、H2气流量200ml/min、Ar流量300ml/min、MTS温度30℃、H2与MTS的摩尔质量比为10、沉积时间150h。
将制备的二维C/SiC复合材料一件作为构件A2，一件作为构件B3进行组合钻孔。钻孔使用锥型金刚石钻头，加工的锥孔直径为φ2mm，锥度10°。
将三维C/SiC铆钉1与二维C/SiC复合材料构件A2与构件B3的锥孔进行紧配合组装，然后用渗透粘结碳化硅6的方法充填铆钉与锥孔之间的间隙，除了沉积时间为60小时外，碳化硅沉积的工艺条件与复合材料相同。连接完成后对二维C/SiC复合材料进行加工，除掉铆钉的多余部分，最后用沉积涂层碳化硅5的方法沉积碳化硅涂层，除了沉积时间为60小时外，涂层沉积的工艺条件与复合材料也相同。
应用实施例2。选用3K碳纤维编制尺寸为40×100mm三维预制体，用平板石墨模具对预制体进行定型。预制体经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，热解炭和碳化硅的沉积工艺条件为现有技术。用三维C/SiC复合材料沿纤维轴向夹角为45°方向加工铆钉1，铆钉1的尺寸为φ6×20mm。
选用1K碳布叠层制备尺寸为100×200mm纤维预制体，用平板石墨模具对预制体进行定型。纤维预制体首先沉积热解炭界面层，工艺条件为：沉积温度960℃、气氛压力0.5kPa、丙烯流量60ml/min、Ar流量400ml/min、沉积时间80h。然后沉积碳化硅基体，工艺条件为：沉积温度1100℃、气氛压力5kPa、H2气流量350ml/min、Ar流量400ml/min、MTS温度40℃、H2与MTS的摩尔质量比为10、沉积时间200h。
将制备的二维C/SiC复合材料一件作为构件A2，一件作为构件B3进行组合钻孔。钻孔使用锥型金刚石钻头，加工的锥孔直径为φ6mm，锥度20°。
将三维C/SiC铆钉1与二维C/SiC复合材料构件A2与构件B3的锥孔进行紧配合组装，然后用渗透粘结碳化硅6的方法充填铆钉与锥孔之间的间隙，除了沉积时间为100小时外，碳化硅沉积的工艺条件与复合材料相同。连接完成后对二维C/SiC复合材料进行加工，除掉铆钉的多余部分，最后用沉积涂层碳化硅5的方法沉积碳化硅涂层，除了沉积时间为100小时外，涂层沉积的工艺条件与复合材料也相同。
对两例应用实施例的连接经拉伸强度测试，结果表明，铆钉没有被拔出，而是发生断裂，连接拉伸断裂强度为200MPa左右。这是迄今为止，陶瓷基复合材料制件最高的连接强度。
Claims (3)
1、一种陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于采用下述方法步骤：
1)用碳纤维编制三维预制体，用平板石墨模具对碳纤维三维预制体进行定型，经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，用三维C/SiC复合材料加工铆钉；
2)将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔；
3)将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；
4)采用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅粘结剂；
5)对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；
6)采用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。
2、根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于：所述的陶瓷基复合材料铆钉为沿纤维轴向夹角0～45°方向加工而成，铆钉的直径为φ2～6mm。
3、根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于：所述的铆钉孔为沿构件A与构件B的连接面对称向外的锥孔，锥度为10°～20°。
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